20248

۲۰۲۴۸

طراحي و شبيه سازي گيت كوانتومي نوري با استفاده از موجبرهاي ليتيوم نايوبيت و مبتني بر عوامل تفكيك و درهم تنيدگي مد، فركانس و پلاريزاسيون

كارشناسي ارشد

الكترونيك

مهرماه ۱۳۹۵ الي بهمن ۱۳۹۷

۱۳۹۷/۱۱/۱۵

دكتر شهرام محمدنژاد

برق

در اين پژوهش به طراحي و شبيه‌سازيِ مدار پياده‌سازي عملكرد گيت‌‌هاي كوانتومي CNOT و SWAP مبتني بر تراشه‌هاي نوري Ti:LiNbO3 ، پرداخته‌ايم. اين دو گيت كوانتومي، نقش عمده‌اي را در پياده‌سازي عملكرد بسياري از گيت‌هاي كوانتومي چندكيوبيتيِ ( حداقل سه كيوبيت ) مورد استفاده در الگوريتم‌هاي كوانتومي و به طور خاص الگوريتم شور، ايفا مي‌كنند و ازين منظر بسيار حائز اهميت هستند. مدارهاي مجتمع نوري، پياده‌سازيِ مقياس‌پذير و پايدار گيت‌هاي كوانتومي را ممكن مي‌سازند و كم‌ترين احتمال وقوع فروشكستِ درهم‌تنيدگي به رويكردهاي نوري و به طور خاص رويكردهاي مبتني بر تراشه‌هاي نوري نسبت داده مي‌شود. در هريك از دو طراحي ارائه شده در اين گزارش، تمامي مراحل توليد زوج فوتون‌هاي درهم‌تنيده، انتشار، و نيز پردازش حالات كوانتومي به صورت يك‌پارچه بر روي يك تراشه صورت مي‌گيرد و اين امر به عنوان يك مزيت در ميان رويكردهاي پياده‌سازي گيت‌هاي كوانتومي تلقي مي‌شود . در طراحي مدارهاي پياده‌سازي عملكرد گيت‌هاي كوانتومي CNOT و SWAP، و به منظور توليد زوج فوتون‌هاي درهم‌تنيده، دو تبديل كاهنده‌ي پارامتري خود به خودي و هم‌زمانِ Type-0 (e, e, e) و Type-I (o, o, e) مد نظر قرار گرفته شده‌اند و اين انتخاب باتوجه به دستيابي به درخشاني طيفي بهتر در اين منابع نسبت به انواع هم‌زمانِ Type-II (e, o, o) و Type-II (o, e, o)، صورت گرفته است. بدين منظور، در بخش ابتدايي مدارها، موجبري دومُده، متناوبا قطبيده‌ و داراي دو دوره‌ي تناوب مدولاسيون ضريب ناخطينگي مرتبه دوم، تعبيه شده است و كل ساختار جهت فرآيند تطبيقِ شبه فازي، مشخصه‌يابي مي‌شود. علاوه بر بخش ابتدايي، مدارهاي كوانتومي طراحي شده به ترتيب شامل مجموعه‌اي از عناصر تفكيك‌كننده‌ي مُد، دو تبديل‌كننده‌ي قطبش TE ⇄ TM، يك تزويج كننده‌ي جهت‌دار، و نيز مجموعه‌اي از عناصر تركيب‌كننده‌ي مُد، مي‌باشد. در اين تحقيق، كليه‌ي شبيه‌سازي‌ها مبتني بر روش عددي انتشار پرتو ( Beam Propagation Method-BPM ) موجود در نرم‌افزارهاي RSoft و optiBPM انجام شده است. هم‌چنين، از نرم‌افزار MATALB براي حل معادلات بهره گرفته‌ايم . واژه‌هاي كليدي: ليتيوم نايوبيت؛ گيت كوانتومي؛ درهم‌تنيدگي؛ تطبيق شبه‌فازي؛ تبديل‌كننده‌ي پلاريزاسيون

1397/11/24

design and simulation of a photonic quantum gate using Lithium Niobate waveguides and based on separation and entanglement factors of mode, frequency, and polarization.

2/13/2019 12:00:00 AM

In this thesis we report on the theoretical photonic circuit design of CNOT and SWAP quantum gates using Titanium-diffused LiNbO3 channel waveguides. The mentioned quantum gates play integral role in quantum computing applications such as in physical realization of quantum gates with high number of qubits (at least three), networkability of quantum circuits, as well as in implementing quantum algorithms, and in particular, quantum Shor’s algorithm. Photonic Integrated circuits provide a suitable platform for scalable and stable realization of quantum gates and by far, the least probability of decoherence and entanglement collapse has been reported in on-chip approaches. In this research, we have taken advantage of the diversity of applications that LiNbO3 offers, and a few on-chip monolithically integrated passive and electro-optically active components, together, contribute to realizing the functionality of quantum CNOT and SWAP gates. In our approach, all the steps including generation of entangled-photon pairs, transmission, and manipulation of the quantum states have all been accomadated on chip, and the fully-integrated feauture of our approach is regarded as a merit with respect to many other proposed schemes . Keywords: Lithium Niobate; Quantum Gates; Entanglement; Quasi-phase matching