一种基于可调谐拓扑陈数的动态量子态路由装置及其控制方法与流程

本发明涉及量子信息传输技术和拓扑光子学，具体涉及一种基于可调谐拓扑陈数的动态量子态路由装置及其控制方法。本发明可应用于量子通信网络、量子互联网、分布式量子计算、多用户量子密钥分发、量子网络交换节点等领域，尤其适用于需要在多个输出端口之间动态选择和切换量子态传输路径的量子网络节点应用场景。

背景技术：

1、量子路由器是量子网络的核心器件，负责将量子态从输入端口导向目标输出端口，实现量子信息在复杂网络中的定向传输。近年来，动态可重构拓扑路由在非线性光子系统中已被理论验证，局部拓扑性质可通过空间模式光泵浦实时控制。电路qed系统中基于相位调制的多功能拓扑路由研究也取得了进展。然而，现有量子路由技术仍面临以下根本性挑战：

2、（一）路由路径固定，缺乏动态可重构能力

3、现有拓扑光子路由方案中，路由路径由器件的静态拓扑结构决定，一旦制造完成即固定。虽然动态可重构拓扑路由已在理论上被提出，但现有方案依赖光泵浦的空间模式控制，缺乏基于电学调控的芯片级集成方案，难以实现量子态路由路径的实时切换和按需配置。

4、（二）陈数调控与路由切换缺乏直接映射

5、现有拓扑光子器件中，拓扑陈数 决定了边界态的存在和传播方向。虽然”陈数阀”（chern valve）机制已被提出用于调控拓扑绝缘体表面态陈数，但尚未建立拓扑陈数值与路由输出端口之间的直接映射关系，无法通过调控陈数实现量子态在多个输出端口间的精确路由。

6、（三）多端口路由缺乏可编程架构

7、现有量子路由方案多局限于二端口或三端口的简单切换，缺乏支持大规模多端口（）动态路由的可编程架构。在多用户量子网络中，量子态需要在多个输出端口之间灵活切换，现有方案无法满足。

8、（四）路由切换中拓扑保护连续性无法保障

9、在动态路由切换过程中，拓扑陈数的变化可能导致拓扑相变瞬态过程中的拓扑保护失效，量子态在切换瞬间受到退相干影响。现有方案缺乏在路由切换过程中维持拓扑保护连续性的机制。

10、（五）缺乏基于拓扑不变量的路由状态验证

11、现有量子路由方案中，路由状态的确认依赖光学测量或量子态层析，缺乏基于拓扑不变量的实时路由状态验证手段，无法在路由切换后立即确认量子态是否已成功路由至目标端口。

12、针对上述问题，本发明提供了一种基于可调谐拓扑陈数的动态量子态路由装置及其控制方法。

技术实现思路

1、（一）发明目的

2、本发明旨在解决现有量子路由技术中路由路径固定缺乏动态可重构能力、陈数调控与路由切换缺乏直接映射、多端口路由缺乏可编程架构、路由切换中拓扑保护连续性无法保障、缺乏基于拓扑不变量的路由状态验证等技术问题，提供一种基于可调谐拓扑陈数的动态量子态路由装置及其控制方法，通过调控拓扑陈数实现量子态在多个输出端口间的动态、可编程、拓扑保护路由。

3、（二）技术方案

4、本发明提供一种基于可调谐拓扑陈数的动态量子态路由装置，其特征在于，包括：

5、一拓扑光子晶体路由核心，设置于半导体衬底上，包含多个拓扑光子晶体波导分支，各分支连接至对应的输出端口，所述路由核心具有可调控的拓扑陈数；

6、一陈数调控阵列，连接至所述拓扑光子晶体路由核心，包含多个独立可控的调控单元，各调控单元通过外部场（电场、磁场、光场或应力场）独立调控对应区域或分支的局部拓扑陈数；

7、一路由控制模块，连接至所述陈数调控阵列，用于根据路由表或实时控制指令，确定目标输出端口并生成对应的陈数调控方案；

8、一输入端口，连接至所述拓扑光子晶体路由核心的输入端，用于接收待路由的量子态；

9、多个输出端口，连接至所述拓扑光子晶体路由核心的各波导分支末端，用于输出路由后的量子态；

10、一路由状态监测模块，连接至所述拓扑光子晶体路由核心，用于通过测量局部berry曲率或边缘态色散关系实时验证当前路由状态；

11、一拓扑稳定性反馈模块，连接至所述路由状态监测模块和所述陈数调控阵列，用于在路由切换过程中根据拓扑稳定性判据实时调整陈数调控参数，确保拓扑保护的连续性。

12、拓扑光子晶体路由核心结构

13、所述拓扑光子晶体路由核心包含：

14、一拓扑光子晶体区域，由两种或多种不同介电常数的材料周期性排列构成，具有可调控的非零拓扑陈数；

15、一输入波导，连接至所述拓扑光子晶体区域的输入端；

16、多个输出波导分支，从所述拓扑光子晶体区域向外辐射延伸，各分支连接至对应的输出端口；

17、多个调控电极或调控窗口，设置于各输出波导分支的根部区域，用于独立调控各分支的局部拓扑陈数。

18、可调谐拓扑陈数的物理机制

19、拓扑陈数定义：

20、所述拓扑光子晶体路由核心的拓扑陈数  定义为：

21、

22、其中  为berry曲率， 为布里渊区的闭合曲面。拓扑陈数取整数值，非零陈数 提供拓扑保护。

23、投影角定义：

24、所述投影角  定义为：

25、

26、陈数与投影角的关系：

27、所述局部拓扑陈数  通过调控对应区域的投影角  实现连续调节：

28、

29、其中  为最大拓扑陈数， 为理论最优投影角。

30、陈数-端口映射关系：

31、所述路由控制模块中预存储陈数值与输出端口的映射表。第  个输出端口对应的目标拓扑陈数值  满足：

32、

33、其中  为基准陈数， 为陈数量子化步长。通过将路由核心的局部拓扑陈数调控至 ，量子态被路由至第  个输出端口。

34、路由切换原理：

35、当量子态从输入端口进入拓扑光子晶体路由核心后，其传播方向由路由核心的拓扑陈数分布决定。量子态沿拓扑边界态传播，边界态的位置和方向由局部拓扑陈数  决定：

36、当  时，边界态沿第  个输出波导分支传播；

37、当  时，边界态不进入该分支或在该分支中衰减。

38、通过调控各输出波导分支根部的局部拓扑陈数，量子态被选择性地导向目标输出端口。

39、路由切换协议：

40、所述动态量子态路由装置支持以下路由切换协议：

41、（1）直接切换：将目标输出端口的局部拓扑陈数从  直接切换至 ，切换时间；

42、（2）绝热切换：在切换过程中保持系统处于拓扑非平凡相的基态，避免拓扑相变过程中的激发；

43、（3）级联切换：依次切换多个输出端口的局部拓扑陈数，实现量子态在多个端口间的顺序路由。

44、拓扑稳定性判据（路由切换中）：

45、在路由切换过程中，所述拓扑稳定性反馈模块持续监测投影角变化率 ，根据以下判据判断路由过程中拓扑保护是否连续：

46、

47、其中  为第  个调控区域的拓扑损耗率， 为投影角变化率， 为局部拓扑陈数， 为恢复系数， 为普朗克常数。

48、当判据满足时，路由切换过程中拓扑保护连续有效；当判据不满足时，触发反馈调整，减慢切换速度或优化调控路径。

49、路由状态验证：

50、所述路由状态监测模块通过以下方式验证当前路由状态：

51、（1）berry曲率测量：测量各输出波导分支根部的局部berry曲率，推算当前局部拓扑陈数 ；

52、（2）边缘态色散测量：测量各输出波导分支中边缘态的色散关系，确认拓扑边界态的存在和传播方向；

53、（3）路由状态判定：当  时，确认量子态已成功路由至第  个输出端口。

54、多端口可编程路由：

55、所述动态量子态路由装置支持  个输出端口，。各输出端口对应的局部拓扑陈数可独立编程配置，支持以下路由模式：

56、单播模式：量子态路由至单个指定输出端口；

57、组播模式：量子态同时路由至多个指定输出端口；

58、广播模式：量子态同时路由至所有输出端口；

59、动态扫描模式：量子态按预设顺序在各输出端口间循环切换。

60、路由性能参数：

61、路由切换时间：；

62、输出端口数量：；

63、路由保真度：；

64、通道间串扰：；

65、工作波长：（c波段）。

66、（三）有益效果

67、动态可重构路由：通过调控局部拓扑陈数实现量子态路由路径的实时切换和按需配置，无需改变器件物理结构；

68、陈数-端口直接映射：建立了拓扑陈数值与输出端口之间的直接映射关系，通过精确调控陈数实现量子态在多个输出端口间的精确导向；

69、多端口可编程架构：支持  个输出端口的独立编程配置，支持单播、组播、广播和动态扫描等多种路由模式；

70、拓扑保护连续性：在路由切换过程中通过拓扑稳定性判据实时监测和反馈调整，确保拓扑保护的连续性，避免切换瞬态中的退相干；

71、路由状态实时验证：通过berry曲率和边缘态色散测量实时验证路由状态，无需依赖外部量子态层析；

72、芯片级集成：基于拓扑光子晶体平台，与现有硅光子工艺兼容，适合大规模集成。