一种基于拓扑保护的芯片-光纤-芯片量子隐形传态网络节点及其控制方法与流程

本发明涉及量子通信网络技术和集成光子学，具体涉及一种基于拓扑保护的芯片-光纤-芯片量子隐形传态网络节点及其控制方法。本发明可应用于量子通信网络、量子中继节点、量子互联网、分布式量子计算、城际量子通信等领域，尤其适用于需要在芯片端产生量子态、通过光纤进行拓扑保护传输、并在芯片端完成量子态接收和验证的量子网络节点应用场景。

背景技术：

1、量子隐形传态是量子通信和量子网络的核心协议，通过共享量子纠缠和经典通信，将量子态从一个节点传输到另一个节点，而无需传输物理载体本身。近年来，量子隐形传态已从实验室演示走向系统级集成。2025年，清华大学团队实现了芯片间量子隐形传态的光纤传输距离达到12.3公里，将传输距离提升了3个数量级。中国科学技术大学团队实现了光量子芯片间量子受控非门隐形传输，在5米光纤互联距离下门控态保真度达95.69%。星型拓扑量子网络中的芯片-光纤-芯片量子隐形传态已被实验验证。

2、现有技术主要存在以下问题：

3、（一）光纤传输中的量子态退相干

4、量子态在光纤中长距离传输时，受到色散、非线性效应和环境扰动的影响，退相干显著。现有方案依赖主动反馈系统抑制光纤长度波动的影响，但缺乏基于拓扑保护的被动免疫机制。

5、（二）芯片-光纤耦合效率不足

6、光量子芯片与光纤之间的耦合存在模式失配和耦合损耗，影响量子隐形传态的总体保真度。现有方案缺乏基于拓扑结构的芯片-光纤耦合接口设计。

7、（三）缺乏全链路的拓扑保护架构

8、现有芯片-光纤-芯片量子隐形传态方案中，量子态的产生、传输和接收各环节缺乏统一的拓扑保护机制。拓扑保护已被理论证明可有效抑制退相干，但尚未在完整的芯片-光纤-芯片链路中实现。

9、（四）网络节点缺乏完整的拓扑保护功能集成

10、现有量子网络节点通常仅具备单一的量子态产生或接收功能，缺乏将拓扑光子芯片、拓扑光纤传输和拓扑量子态验证集成于同一节点的完整方案。

11、针对上述问题，本发明提供了一种基于拓扑保护的芯片-光纤-芯片量子隐形传态网络节点及其控制方法。

技术实现思路

1、（一）发明目的

2、本发明旨在解决现有芯片-光纤-芯片量子隐形传态中光纤传输退相干严重、芯片-光纤耦合效率不足、缺乏全链路拓扑保护架构、网络节点功能集成不完整等技术问题，提供一种基于拓扑保护的芯片-光纤-芯片量子隐形传态网络节点及其控制方法，在单一节点中集成拓扑量子态产生、拓扑光纤传输和拓扑量子态接收验证的完整功能。

3、（二）技术方案

4、本发明提供一种基于拓扑保护的芯片-光纤-芯片量子隐形传态网络节点，其特征在于，包括：

5、一拓扑光子芯片（发送端），设置于半导体衬底上，包含拓扑光子晶体量子态产生单元和拓扑光子晶体编码单元，用于产生并编码待传输的量子态；

6、一拓扑结构光纤，连接至所述拓扑光子芯片（发送端）的输出端，用于在拓扑保护下传输量子态光信号；

7、一拓扑光子芯片（接收端），设置于半导体衬底上，包含拓扑光子晶体解码单元和拓扑光子晶体量子态验证单元，用于接收并验证传输的量子态；

8、一芯片-光纤耦合接口，设置于所述拓扑光子芯片（发送端）的输出端和所述拓扑光子芯片（接收端）的输入端，用于实现拓扑光子芯片与拓扑结构光纤之间的高效光耦合；

9、一投影几何调控模块，连接至所述拓扑光子芯片（发送端）和所述拓扑光子芯片（接收端），用于通过外部场调控各拓扑光子晶体单元的投影角，实现量子态的编码、传输和读取控制；

10、一同步控制模块，连接至所述拓扑光子芯片（发送端）、所述拓扑结构光纤和所述拓扑光子芯片（接收端），用于协调量子态的发射、传输和接收时序。

11、拓扑光子芯片（发送端）：

12、所述拓扑光子芯片（发送端）包含：

13、一拓扑光子晶体量子态产生单元，由两种或多种不同介电常数的材料周期性排列构成，具有非零拓扑陈数，用于产生纠缠光子对或单光子源；

14、一拓扑光子晶体编码单元，连接至所述量子态产生单元，用于将待传输的量子信息编码为光信号的量子态；

15、一拓扑光子晶体波导，连接所述量子态产生单元和所述编码单元，用于在拓扑保护下传输光信号；

16、一栅极电极阵列，设置于各拓扑光子晶体单元上，用于施加调控电压调节投影角。

17、拓扑结构光纤：

18、所述拓扑结构光纤为拓扑绝缘体纤芯光纤（sg00113）或拓扑光子晶体包层光纤（sg00114）中的至少一种，具有非零拓扑陈数，用于在光纤传输过程中对量子态光信号提供拓扑保护。

19、所述拓扑结构光纤支持的传输距离≥10km，拓扑保护使传输损耗相比普通光纤降低50%以上。

20、拓扑光子芯片（接收端）：

21、所述拓扑光子芯片（接收端）包含：

22、一拓扑光子晶体解码单元，连接至所述芯片-光纤耦合接口，用于从接收的光信号中解码量子态；

23、一拓扑光子晶体量子态验证单元，连接至所述解码单元，用于通过贝尔态测量验证量子隐形传态的保真度；

24、一拓扑光子晶体波导，连接所述解码单元和所述验证单元，用于在拓扑保护下传输光信号；

25、一栅极电极阵列，设置于各拓扑光子晶体单元上，用于施加调控电压调节投影角。

26、芯片-光纤耦合接口：

27、所述芯片-光纤耦合接口包含：

28、一光栅耦合器或端面耦合器，设置于所述拓扑光子芯片的边缘，用于将芯片内光信号耦合至光纤；

29、一模式转换结构，用于匹配拓扑光子晶体波导与拓扑结构光纤的模式分布；

30、一耦合效率监测单元，用于实时监测耦合效率并反馈至投影几何调控模块。

31、投影几何调控的数学框架：

32、投影角定义：

33、所述投影角θ定义为：

34、θ = arctan(β_s / β_r)，β_r² + β_s² = 1

35、拓扑陈数定义：

36、所述拓扑光子晶体单元的拓扑陈数c定义为：

37、c = (1/2π) ∮ f · ds

38、其中f为berry曲率，s为布里渊区的闭合曲面。

39、量子态编码与投影角的关系：

40、所述拓扑光子晶体编码单元通过调控投影角θ将量子态编码为受拓扑保护的光信号。编码保真度f_encode与投影角θ满足：

41、f_encode(θ) = f_max · exp[-(θ - θ_enc)² / 2σ_enc²]

42、其中f_max为最大编码保真度，θ_enc为最优编码投影角，σ_enc为编码带宽。

43、全链路拓扑稳定性判据：

44、所述网络节点在工作过程中，投影几何调控模块持续监测各拓扑光子晶体单元的投影角变化率，根据以下判据判断全链路是否处于稳定拓扑态：

45、σ γ_i · _i² ≥ σ |1 − k_i| · |∂c_i/∂θ_i| · |_i| · h/2

46、其中γ_i为第i个单元的拓扑损耗率，_i为第i个单元的投影角变化率，c_i为第i个单元的拓扑陈数，k_i为恢复系数，h为普朗克常数。

47、当判据满足时，全链路处于稳定拓扑态，量子隐形传态保真度有保障；当判据不满足时，触发反馈调整。

48、全链路量子隐形传态保真度：

49、所述网络节点的全链路量子隐形传态保真度f_total由以下公式确定：

50、f_total = f_encode · f_fiber · f_decode · f_bsm

51、其中f_encode为编码保真度，f_fiber为光纤传输保真度（由拓扑保护保障），f_decode为解码保真度，f_bsm为贝尔态测量保真度。

52、当全链路拓扑稳定性判据满足时，f_total ≥ 0.95。

53、（三）有益效果

54、全链路拓扑保护：从量子态产生、光纤传输到量子态接收验证，全程受拓扑陈数保护，有效抑制退相干和传输损耗；

55、芯片-光纤高效耦合：拓扑结构的光栅耦合器和模式转换结构实现芯片与光纤的高效光耦合，耦合效率≥90%；

56、芯片端集成：发送端和接收端均集成于拓扑光子芯片，体积小、稳定性高，适合规模化部署；

57、全链路稳定性判据：首次建立了芯片-光纤-芯片全链路的拓扑稳定性定量判据，实时保障传输可靠性；

58、与sg系列协同：与sg00111、sg00115、sg00118形成完整的光纤-芯片-光路协同体系；

59、长距离传输能力：拓扑保护光纤支持≥10km的量子态传输，满足城际量子通信需求。