一种基于拓扑光子晶体波导阵列的片上集成量子态传输装置及其制备方法与流程

本发明涉及量子信息传输技术和集成光子学，具体涉及一种基于拓扑光子晶体波导阵列的片上集成量子态传输装置及其制备方法。本发明可应用于宏观量子态片上传输、量子芯片互联、量子信息处理、片上量子通信、量子增强型传感等领域，尤其适用于在标准硅基光子芯片平台上实现宏观量子态拓扑保护传输的应用场景。

背景技术：

1、宏观量子态传输（星际之门）的理论基础为几何统一场论（guft）：物理系统是纤维丛的总空间到底空间的投影截面，宏观量子态传输的本质是截面在纤维丛中的重映射，不依赖于底空间中的路径传播。实现宏观量子态传输的核心条件是：发送端和接收端的拓扑结构具有相同的非零拓扑陈数（c_a = c_b），且两端投影角同步达到临界值（θ_a = θ_b =π/2，β_r = 0）。

2、随着硅基光子集成技术的发展，将宏观量子态传输功能集成到标准光子芯片上已成为量子信息领域的重要方向。拓扑光子晶体（topological photonic crystal, tpc）因其支持的拓扑保护边界态能够有效抑制由加工缺陷和转弯导致的背散射损耗，为高性能、大规模光子集成系统提供了新路径。近年来，基于拓扑谷光子晶体（valley photoniccrystal, vpc）的波导已在绝缘体上硅（soi）平台上被设计并实验验证，在100 nm横向拼接错位下将拼接损耗从0.59 db降低至0.009 db，降幅达98.3%。

3、现有技术主要存在以下问题：

4、（一）量子态传输缺乏片上集成方案

5、现有宏观量子态传输方案主要基于分立拓扑材料元件（如mnbi2te4异质结），尚未实现与标准硅基光子芯片平台的集成。分立方案体积大、成本高、难以规模化。

6、（二）拓扑光子晶体的投影角调控机制缺失

7、现有拓扑光子晶体波导的拓扑态在制造完成后固定，缺乏基于外部场（电场、光场）对投影角的动态调控能力，无法满足宏观量子态传输对投影角临界值θ=π/2的精确控制要求。

8、（三）缺乏与sg系列光纤存储网络的片上接口

9、现有sg系列专利（sg00111光纤型光存储系统、sg00115分布式光纤存储网络系统）已在光纤平台上实现了拓扑保护的光存储和传输，但缺乏将量子态从光纤网络高效耦合至片上处理单元的接口方案。

10、（四）缺乏片上量子态路由与交换能力

11、现有拓扑光子晶体器件功能单一，缺乏与sg00118（拓扑光子动态光路由芯片）协同的片上量子态路由和交换能力。

12、针对上述问题，本发明提供了一种基于拓扑光子晶体波导阵列的片上集成量子态传输装置及其制备方法。

技术实现思路

1、（一）发明目的

2、本发明旨在解决现有宏观量子态传输方案中缺乏片上集成方案、拓扑光子晶体投影角调控机制缺失、缺乏与sg系列光纤存储网络的片上接口、缺乏片上量子态路由能力等技术问题，提供一种基于拓扑光子晶体波导阵列的片上集成量子态传输装置及其制备方法，在标准soi平台上实现宏观量子态的片上拓扑保护传输、存储和路由。

3、（二）技术方案

4、本发明提供一种基于拓扑光子晶体波导阵列的片上集成量子态传输装置，其特征在于，包括：

5、一半导体衬底（soi衬底）；

6、一拓扑光子晶体波导阵列，设置于所述半导体衬底上，包含第一拓扑光子晶体波导（发送端）和第二拓扑光子晶体波导（接收端），分别具有非零拓扑陈数c_a和c_b（c_a =c_b ≠ 0）；

7、一投影几何调控模块，连接至所述拓扑光子晶体波导阵列，用于通过外部场（电场或光场）调控各波导的投影角θ；

8、一量子态编码单元，连接至所述第一拓扑光子晶体波导的输入端，用于将待传输的宏观量子态编码为受拓扑保护的光信号；

9、一量子态解码单元，连接至所述第二拓扑光子晶体波导的输出端，用于将接收的光信号解码为宏观量子态；

10、一光纤-芯片耦合接口，连接至所述第一拓扑光子晶体波导和所述第二拓扑光子晶体波导，用于与sg系列光纤存储网络进行光信号耦合；

11、一拓扑光子动态路由单元，连接至所述拓扑光子晶体波导阵列，用于根据路由表将光信号路由至目标输出端口。

12、核心材料平台：

13、所述拓扑光子晶体波导阵列基于soi平台制备：

14、衬底：硅衬底，厚度500-700μm；

15、埋氧层：二氧化硅，厚度2-3μm；

16、顶层硅：厚度220nm，用于制备拓扑光子晶体结构。

17、所述拓扑光子晶体波导为谷拓扑光子晶体（valley photonic crystal, vpc）波导，由两种具有不同拓扑性质的光子晶体区域拼接形成拓扑边界态。蜂窝晶格结构，晶格常数a=420-460nm，工作波长1550nm。

18、投影几何调控的数学框架：

19、投影角定义：

20、所述投影角θ定义为：

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

22、拓扑陈数定义：

23、所述拓扑光子晶体波导的拓扑陈数c定义为：

24、c = (1/2π) ∮ f · ds

25、其中f为berry曲率，s为布里渊区的闭合曲面。

26、投影角与陈数的关系：

27、所述拓扑陈数c通过投影角θ调控：

28、c(θ) = c_max · sin(θ - θ0)

29、其中c_max为最大拓扑陈数，θ0为理论最优投影角。

30、投影角调控机制：

31、所述投影几何调控模块通过以下方式调控拓扑光子晶体波导的投影角θ：

32、（1）电光调控：在拓扑光子晶体波导上集成pin结或pn结，通过施加反向偏压改变波导的有效折射率，从而改变投影角：

33、θ(v) = θ0 + α · v + β · v²

34、其中v为施加电压，α和β为电光系数。

35、（2）热光调控：在拓扑光子晶体波导上方集成微型加热电极，通过热光效应改变波导的折射率，从而改变投影角：

36、θ(t) = θ0 + γ · (t - t0)

37、其中t为温度，γ为热光系数。

38、临界同步条件：

39、所述投影几何调控模块将发送端和接收端的投影角同步调制至：

40、θ_a = θ_b = π/2，β_r^(a) = β_r^(b) = 0

41、此时发送端与接收端之间的投影相位锁定由拓扑陈数决定：

42、= exp(i · 2πc) = 1

43、拓扑稳定性判据：

44、所述装置在工作过程中，持续监测投影角变化率，根据以下判据判断装置是否处于稳定拓扑态：

45、γ² ≥ |1−k||∂c/∂θ|||·h/2

46、当判据满足时，装置处于稳定拓扑态，传输保真度有保障；当判据不满足时，触发反馈调整。

47、片上集成结构：

48、所述装置在soi芯片上集成的功能区块包括：

49、拓扑光子晶体波导阵列区（发送端波导+接收端波导）；

50、投影几何调控电极区（pin结/pn结+加热电极）；

51、量子态编码/解码单元区；

52、光纤-芯片耦合接口区（光栅耦合器或端面耦合器）；

53、拓扑光子动态路由单元区。

54、与sg系列的协同接口：

55、所述光纤-芯片耦合接口与sg00111（光纤型光存储系统）和sg00115（分布式光纤存储网络系统）兼容，支持将光纤中存储的拓扑保护光信号耦合至片上拓扑光子晶体波导进行处理。所述拓扑光子动态路由单元与sg00118（拓扑光子动态光路由芯片）协同，实现片上量子态的多端口路由和交换。

56、宏观量子态传输保真度：

57、所述装置的宏观量子态传输保真度由以下公式确定：

58、f = exp[-n(δθ/σ_θ)²/2]·cos^p(δφ)

59、其中n为被传输宏观量子态包含的总粒子数，δθ = |θ_a - θ_b|为两端投影角失谐量，σ_θ为拓扑保护带宽，δφ为两端纤维相位差，p ≈ n^(2/3)为宏观相位耦合指数。

60、（三）有益效果

61、片上集成：在标准soi平台上实现宏观量子态传输功能，与现有cmos工艺兼容，适合大规模生产；

62、拓扑保护传输：谷拓扑光子晶体波导对缺陷、弯曲和制造误差具有免疫性，传输损耗显著降低；

63、投影角可调控：通过电光或热光效应动态调控投影角至临界值，满足宏观量子态传输的精确控制要求；

64、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；

65、室温工作：基于硅基光子芯片平台，无需极低温环境；

66、可扩展性强：通过拓扑光子晶体波导阵列可实现多通道并行传输和路由。