專(zhuān)利名稱(chēng)：：光子邏輯門(mén)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種使用量子開(kāi)關(guān)的光子邏輯門(mén)的方法和裝置。
背景技術(shù)：
：邏輯門(mén)通常用作數(shù)據(jù)處理中的邏輯操作，即使用一個(gè)以上的邏輯輸入產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)輸出。邏輯一般是指布爾邏輯，例如"非"，"或"，"或非"，"異或"，"同或"，"與"和"與非"。對(duì)于一個(gè)中央處理器(CPU)來(lái)說(shuō)，邏輯門(mén)是執(zhí)行計(jì)算操作的基本單元。由于對(duì)快速處理能力與曰俱增的需求，CPU的速度從20世紀(jì)70年代中期開(kāi)始呈指數(shù)增長(zhǎng)，根據(jù)摩爾定律，到2006年已經(jīng)達(dá)到了3.7GHz。然而，開(kāi)關(guān)時(shí)間取決于門(mén)寬而電磁干擾限制了操作帶寬從而使電子晶體管的應(yīng)用受到了制約。為了克服這種本質(zhì)上的局限性，在最近幾十年中人們開(kāi)始研究光邏輯門(mén)。與電子載流子相比，光信號(hào)不受電磁干擾的影響而且沒(méi)有速度限制。此外，并行處理有著本質(zhì)上的優(yōu)點(diǎn)。最近研究表明，用于布爾邏輯運(yùn)算"非"、"或"、"或非"、"與"、"異或"和"與非"的各種高速全光邏輯門(mén)可以用半導(dǎo)體光放大器(SOAs)和摻雜鉺(erbium)光纖放大器(EDFAs)實(shí)現(xiàn)。然而一個(gè)運(yùn)算器件必須滿(mǎn)足一定的實(shí)用性要求，例如低功耗，小尺寸和高速度。從20世紀(jì)80年代起一些以布爾代數(shù)為基礎(chǔ)的光邏輯門(mén)已經(jīng)被提出并實(shí)現(xiàn)了。使用線(xiàn)性光學(xué)如鏡子和分光鏡的大型光學(xué)邏輯門(mén)已經(jīng)被應(yīng)用了。顯然，以線(xiàn)性光學(xué)為基礎(chǔ)的光邏輯門(mén)由于大的尺寸而效率低。近來(lái)，以非線(xiàn)性光學(xué)為基礎(chǔ)的光邏輯門(mén)得到了廣泛的研究。在這一領(lǐng)域，SOA是組成光邏輯門(mén)的最有用的元件。將SOA用于光邏輯門(mén)可以極大的降低器件尺寸和功耗。以SOA為基礎(chǔ)的光邏輯門(mén)的物理原理是通過(guò)電流改變折射率。在傳統(tǒng)的光開(kāi)關(guān)技術(shù)中，折射率變化所需時(shí)間完全制約了開(kāi)關(guān)時(shí)間，而折射率的變化受到載流子重新分布時(shí)間的限制。因此傳統(tǒng)光開(kāi)關(guān)時(shí)間主要受限于載流子壽命，大約為亞納秒量級(jí)。盡管一個(gè)SOA能提供相對(duì)低的功率損耗，大約100mW(OpticsLetters,Vol.23,pp.l271-3(1997)),但是組成一個(gè)光CPU需要上百萬(wàn)個(gè)SOA，估計(jì)總功率和總尺寸分別要達(dá)到100kW和幾個(gè)平方米，所以根本不具有應(yīng)用性。這里值得注意的是，最新達(dá)到3.7GHz時(shí)鐘速度的電子CPU包含了近三億個(gè)晶體管，功率消耗大約為100W(www.intel.com/research/silicon/micron.htm)。另一方面，光開(kāi)關(guān)效應(yīng)可以通過(guò)非線(xiàn)性量子效應(yīng)一電磁感應(yīng)光透明(EIT)獲得。EIT就是在有三個(gè)或三個(gè)以上能級(jí)的光學(xué)共振介質(zhì)中，由于量子相干，利用雙色電磁場(chǎng)獲得折射率的快速變化(Harris,PhysicsToday,Vol.50，p.36(1995))。光學(xué)共振介質(zhì)的能級(jí)結(jié)構(gòu)必須滿(mǎn)足具有兩個(gè)相鄰很近的基態(tài)和一個(gè)激發(fā)態(tài)，或兩個(gè)離得很近的激發(fā)態(tài)和一個(gè)基態(tài)，或一個(gè)任意分布的梯形系統(tǒng)。基于量子相干的折射率變化會(huì)引起兩個(gè)臨近態(tài)上強(qiáng)自旋相干激發(fā)和吸收相消。由于吸收譜的快速變化，在共振頻率上陡峭的色散斜率導(dǎo)致了慢光現(xiàn)象(Turukhin等PhysicalReviewLetters,Vol.88，p023602(2002))。在EIT中，折射率變化所需時(shí)間不受載流子壽命或者布居數(shù)弛豫時(shí)間(populationrelaxationtime)的限制，而是依賴(lài)于相位弛豫時(shí)間(phasedecaytime)。通常情況下，固體中的相位弛豫時(shí)間比布居數(shù)弛豫時(shí)間短很多。特別是在大多數(shù)離子摻雜的晶體中，如摻雜Pr"的Y2Si05，相位弛豫時(shí)間比載流子壽命要快幾百倍，所以可以獲得超高速的光處理——量子開(kāi)關(guān)(Ham,AppliedPhysicsLetters,Vol.85，卯.893-5(2004))。相鄰基態(tài)間的雙光子相干激發(fā)可以利用非簡(jiǎn)并四波混頻過(guò)程進(jìn)行光探測(cè)。非簡(jiǎn)并四波混頻信號(hào)的強(qiáng)度可以比最初的輸入信號(hào)要強(qiáng)(He匪er等，OpticsLetters,Vol.20,pp.982-4(1995))。當(dāng)三個(gè)相鄰態(tài)代替兩個(gè)相鄰基態(tài)時(shí)，利用三色光場(chǎng)共振到相同的激發(fā)態(tài)，就可以得到量子開(kāi)關(guān)現(xiàn)象Ham,PhysicalReviewLetters,Vol.84，pp.4080-3(2000)。量子開(kāi)關(guān)的物理原理就是光控自旋相干交換，而且光開(kāi)關(guān)時(shí)間比傳統(tǒng)的基于折射率的光開(kāi)關(guān)要快很多。這個(gè)在實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)用摻雜Pr"的Y2SiOs實(shí)現(xiàn)了，比光開(kāi)關(guān)時(shí)間減少了100倍:Ham,AppliedPhysicsLetters,Vol.85，pp.893-5(2004)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的主要目的是提供一種基于量子開(kāi)關(guān)現(xiàn)象的光子邏輯門(mén)的方法和裝置。光子邏輯門(mén)應(yīng)該克服傳統(tǒng)光邏輯門(mén)在搡作速度和尺寸上的局限性。光子邏輯門(mén)的一個(gè)主要特征是將EIT和量子開(kāi)關(guān)的量子光學(xué)性用于多邏輯門(mén)功能。一個(gè)物理邏輯門(mén)由通過(guò)光波導(dǎo)或自由空間與非線(xiàn)性光學(xué)介質(zhì)作用的三(四)色激光組成。如量子開(kāi)關(guān)專(zhuān)利中所示(Ham，美國(guó)專(zhuān)利No.6628453)，本光子邏輯門(mén)的可操作帶寬不受布居數(shù)弛豫時(shí)間(populationrelaxationtime)或者載流子壽命的限制。本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)是不僅能用于全光數(shù)字處理，而且可以用于量子計(jì)算機(jī)組成的量子網(wǎng)絡(luò)的量子接口中。簡(jiǎn)而言之，本發(fā)明中的光子邏輯門(mén)系統(tǒng)是由一個(gè)或多個(gè)相連接的量子開(kāi)關(guān)組成，其中，量子開(kāi)關(guān)由非線(xiàn)性光學(xué)介質(zhì)和至少四個(gè)相干激光束組成。而量子開(kāi)關(guān)中的非線(xiàn)性光學(xué)介質(zhì)是由至少四個(gè)能級(jí)組成，其中三個(gè)能級(jí)必須是靠的很近的基態(tài)，最后一個(gè)是激發(fā)態(tài)。激光束A、C和S的頻率分別與從非線(xiàn)性光學(xué)介質(zhì)的三個(gè)基態(tài)|1〉、|2〉、|3〉到激發(fā)態(tài)|4〉的躍遷共振見(jiàn)圖l和圖2。激光束R被用作非簡(jiǎn)并四波混頻過(guò)程中產(chǎn)生輸出Q1或Q2的探測(cè)光。非簡(jiǎn)并四波混頻輸出Ql和/或Q2可以用作第二/第三個(gè)非線(xiàn)性光學(xué)介質(zhì)的輸入來(lái)形成光子邏輯門(mén)。Ql和Q2的輸出方向是物理分離的，所以量子開(kāi)關(guān)可以作為光學(xué)路由器Ham,AppliedPhysicsLettersVol.85，pp.893-895(2004)。每東激光都可以用由異質(zhì)結(jié)構(gòu)量子阱，光子帶隙晶體，絕緣硅或者表面胞質(zhì)團(tuán)(plasmon)等制成的光學(xué)波導(dǎo)來(lái)導(dǎo)入。光波導(dǎo)不屬于本發(fā)明的部分。通過(guò)將兩個(gè)量子開(kāi)關(guān)串聯(lián)或者并聯(lián)，就能起到"非"，"與非"，"與"，"或"，"異或"和"或非"布爾邏輯的功能了。由于兩個(gè)光子邏輯門(mén)間的傳播時(shí)間是可以忽略的，利用一個(gè)光波導(dǎo)，光子邏輯門(mén)還能擴(kuò)展到測(cè)量領(lǐng)域。圖l是本發(fā)明的一個(gè)光子邏輯門(mén)"非"門(mén)的結(jié)構(gòu)圖。圖2是圖1中非線(xiàn)性光學(xué)介質(zhì)107的一個(gè)能級(jí)圖。圖3是圖2量子開(kāi)關(guān)(路由)的實(shí)驗(yàn)(a，b)和理論(c,d)數(shù)據(jù)，輸出光東Ql和Q2的空間方向由激光束相位匹配條件決定，方向或者相同或者不同。圖4是本發(fā)明的一個(gè)光子邏輯門(mén)圖5是本發(fā)明的一個(gè)光子邏輯門(mén)圖6是本發(fā)明的一個(gè)光子邏輯門(mén)圖7是本發(fā)明的一個(gè)光子邏輯門(mén)示意圖。"或非"門(mén)的示意圖。"與"門(mén)的示意圖。"與非"/"或"門(mén)的示意圖。"或非"/"異或"/"與"門(mén)的具體實(shí)施例方式為了更好的理解本發(fā)明，現(xiàn)在結(jié)合附圖來(lái)描述本發(fā)明的實(shí)施例。附圖用來(lái)具體說(shuō)明本發(fā)明，和描述一起用來(lái)解釋本發(fā)明的原理。附圖只是為了更好的闡述本發(fā)明，但不能解釋為對(duì)本發(fā)明的限制。其中，圖1是本發(fā)明的一個(gè)光子邏輯門(mén)"非"門(mén)的結(jié)構(gòu)圖，圖l與量子開(kāi)關(guān)非常相似美國(guó)專(zhuān)利No:6628453;圖2是圖1中非線(xiàn)性光學(xué)介質(zhì)107的一個(gè)能級(jí)圖，其中基態(tài)間的頻率差遠(yuǎn)小于基態(tài)與激發(fā)態(tài)間的躍遷頻率，激發(fā)態(tài)能級(jí)|5〉可以是虛的、實(shí)的或者和能級(jí)|4〉相等，這取決于頻率失諧A的值，字母R、S、C、A、Q1和Q2分別代表不同頻率^、&、wc、、"0和^2的激光束；圖3是圖2量子開(kāi)關(guān)(路由)的實(shí)驗(yàn)(a,b)和理論(c，d)數(shù)據(jù)，輸出光束Q1和Q2的空間方向由激光束相位匹配條件決定，方向或者相同或者不同；圖4是本發(fā)明的一個(gè)光子邏輯門(mén)"或非"門(mén)的示意圖，字母QS表示非線(xiàn)性光學(xué)介質(zhì)107組成的量子開(kāi)關(guān)，該開(kāi)關(guān)是通過(guò)光波導(dǎo)連接的，這與圖l和圖2中用于激光束R、S、C、A、Ql(或X)和Q2(或Y)的光波導(dǎo)是一樣的；圖5是本發(fā)明的一個(gè)光子邏輯門(mén)"與"門(mén)的示意圖，字母QS表示非線(xiàn)性光學(xué)介質(zhì)107組成的量子開(kāi)關(guān)，該開(kāi)關(guān)是通過(guò)光波導(dǎo)連接的，這與圖1和圖2中用于激光束R、S、C、A、Ql(或X)和Q2(或Y)的光波導(dǎo)是一樣的；圖6是本發(fā)明的一個(gè)光子邏輯門(mén)"與非"/"或"門(mén)的示意圖，字母QS表示量子開(kāi)關(guān)，它由非線(xiàn)性光學(xué)介質(zhì)組成并通過(guò)用于激光束R、S、C、A、B、Ql、Q2、Q3、Q4、X和Y的光波導(dǎo)相連；圖7是本發(fā)明的一個(gè)光子邏輯門(mén)"或非"/"異或"/"與"門(mén)的示意圖，字母QS表示量子開(kāi)關(guān)，它由非線(xiàn)性光學(xué)介質(zhì)組成并通過(guò)用于激光束R、S、C、A、B、Ql、Q2、X、Y和Z的光波導(dǎo)相連。圖l描述了一個(gè)光子邏輯門(mén)"非"門(mén)，這里使用了一個(gè)單獨(dú)的量子開(kāi)關(guān)。字母R、S、C、A、Q1和Q2分別表示不同頻率^、&、&、^、6^和^2的激光束。數(shù)字從101到106代表激光束和激光東所用的光波導(dǎo)。數(shù)字107代表一個(gè)非線(xiàn)性光學(xué)介質(zhì)。根據(jù)量子開(kāi)關(guān)理論(PhysicalReviewLetters，Vol.84，pp.4080-4083(2000)和AppliedPhysicsLetters,Vol.78.pp.3382-3384(2001);AppliedPhysicsLetters,Vol.85,pp.893-895(2004);美國(guó)專(zhuān)利No.6628453(2003))，當(dāng)邏輯輸入光束A(102)是打開(kāi)的，輸出Ql(104)總是關(guān)的，反之亦然。這里值得注意的是如果失諧A是非零的話(huà)(失諧A見(jiàn)圖2所示)激光東C和R可以是連續(xù)的。如果失諧A等于零，激光束C(103)和R(106)就不能是連續(xù)的而必須是脈沖并與控制光束C(102)同步。表l顯示了圖l中布爾代數(shù)"非"的結(jié)果。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>這里激發(fā)能級(jí)|5〉可虛可實(shí)。對(duì)于非零失諧A的實(shí)能級(jí)I5〉，脈沖的非簡(jiǎn)并四波混頻過(guò)程已經(jīng)被證明了Ham,OpticsLetters,Vol.24,pp.86-88(1999)。圖2是圖1中非線(xiàn)性光學(xué)介質(zhì)107的一個(gè)能級(jí)圖。一般這種能級(jí)結(jié)構(gòu)在摻稀土晶體如摻雜Y2Si05(YSO)的Pi"3+中是典型的。這里，摻稀土晶體的超精細(xì)分裂產(chǎn)生三個(gè)低能級(jí)。圖2的能級(jí)結(jié)構(gòu)也可以通過(guò)人為的增加耦合半導(dǎo)體量子阱或者量子點(diǎn)獲得。圖1中非線(xiàn)性光學(xué)介質(zhì)107可以有四個(gè)能態(tài)|1〉、|2〉、|3〉、|4〉或者五個(gè)能態(tài)|1〉、|2〉、|3〉、|4〉、|5〉。圖2中能級(jí)|4〉的能量要比|1〉、|2〉、|3〉高。事實(shí)上，圖1中非線(xiàn)性光學(xué)介質(zhì)107可以有多于5個(gè)的能級(jí)，但是只有圖2中提到的能級(jí)對(duì)本發(fā)明的光子邏輯機(jī)制起作用。圖2中失諧A是激光東R的頻率^與從能級(jí)|3〉到能級(jí)|4〉的共振頻率的偏移，即""43-A，其中^="4-A。頻率為6^的輸出激光束Q1是通過(guò)非簡(jiǎn)并四波混頻過(guò)程產(chǎn)生的，其中頻率分別為^、&、^的三束激光C、S、R與非線(xiàn)性光學(xué)介質(zhì)相互作用。類(lèi)似地，頻率為％2的輸出激光束Q2是通過(guò)非簡(jiǎn)并四波混頻過(guò)程產(chǎn)生的，該過(guò)程中頻率分別為^、^、^的三束激光A、S、R相互作用。圖2中非簡(jiǎn)并四波混頻信號(hào)Q1和Q2的傳播方向W和kQ2是由相位匹配條件決定的，分別是&=&_、+、、+^。這里由于暗態(tài)共振或者EIT,非簡(jiǎn)并四波混頻(nondegeneratefour-wavemixing)可以被極大地增強(qiáng)。為了理解非簡(jiǎn)并四波混頻過(guò)程的增強(qiáng)，下文會(huì)更詳細(xì)的進(jìn)行解釋。非簡(jiǎn)并四波混頻增強(qiáng)是Harris在1991年的PhysicalReviewLetters(Vol.64，pp.ll07-1110)中提出的，并由Jain等人于1993年在原子氣體中(OpticsLetters,Vol.l8，pp.98-101)，Ham等人于1997年在離子摻雜的固體中(OpticsLetters,Vol.22,pp.1128-1140)得到了實(shí)驗(yàn)論證。Hemmer等人和Jain等人先后在1995年和1996年利用原子氣體在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了非簡(jiǎn)并四波混頻的信號(hào)放大和高轉(zhuǎn)換效率(Hemmer,OpticsLetters,Vol.20,pp.982-984(1995);Jain,PhysicsReviewsLetters,Vol.77,pp.43264329(1996))。非簡(jiǎn)并四波混頻的高轉(zhuǎn)換效率也被Ham等人于1999年在離子摻雜的固體中實(shí)現(xiàn)了(Ham,PhysicalReviewA，Vol.59，pp.R2583-2586(1999))。非簡(jiǎn)并四波混頻過(guò)程的增強(qiáng)就是分別通過(guò)量子相干的相消(destructive)和相長(zhǎng)(constructive),降低一階線(xiàn)性極化，提高三階非線(xiàn)性極化。為了進(jìn)一步說(shuō)明激光輸入和非簡(jiǎn)并四波混頻輸出信號(hào)之間的關(guān)系，首先應(yīng)該理解相干交換(coherenceswapping)。為了能理解圖2中的相干激發(fā)，需要討論密度矩陣P。密度矩陣一直是表示系統(tǒng)宏觀行為的一種非常有用的工具Quantumoptics,CambridgeUniversityPressNewYork,N.Y.(1997)，Scully和Zubairy著。在圖2中，通過(guò)激發(fā)態(tài)|4〉，兩激光東C和S可以在躍遷|2〉-|3〉上引起雙光子相干;923。類(lèi)似的，通過(guò)激發(fā)態(tài)|4〉，兩激光束A和S可以在基態(tài)躍遷|1〉-|3〉引起雙光子相干&。特別的，如果伴隨有暗態(tài)共振或者EIT，則雙光子相干被強(qiáng)烈的提高。這里暗態(tài)共振或EIT是相同的物理現(xiàn)象，但是術(shù)語(yǔ)EIT來(lái)源于吸收相消，這樣，一個(gè)共振的電磁場(chǎng)就可以沒(méi)有被吸收地通過(guò)一個(gè)光學(xué)厚介質(zhì)。圖3是基于圖2的用Pr3+:YSO做的量子開(kāi)關(guān)(路由)的理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中失諧A二O:5代表激光東A與躍遷ll〉-l4〉的共振頻率的失諧。如圖3所示，根據(jù)A的激光作用，雙光子相干Re&和Re的強(qiáng)度可以相互轉(zhuǎn)換雙光子相干可以利用激光東R進(jìn)行光學(xué)探測(cè)，并導(dǎo)致非簡(jiǎn)并四波混頻信號(hào)Ql或Q2的產(chǎn)生。圖3a和3b中的非簡(jiǎn)并四波混頻信號(hào)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和由理論計(jì)算出來(lái)的雙光子相干強(qiáng)度[Re/9,2]2相匹配(Hametal.inPhysicalReviewA，Vo1.59,R2583-R2586(1999)，PhysicalReviewLetters.Vol.84，pp.4080陽(yáng)4083(2000)，和AppliedPhysicsLetters,Vol.78，pp3382-3384(2001);AppliedPhysicsLetters,Vol.85，pp893-895(2004);美國(guó)專(zhuān)利No.6628453(2003))。圖4描述的是光子邏輯門(mén)"或非"門(mén)，其中兩個(gè)量子開(kāi)關(guān)串聯(lián)。這里左邊的(第一個(gè))量子開(kāi)關(guān)QS1(412)的輸出Ql(410)作為右面的(第二個(gè))量子開(kāi)關(guān)QS2(413)的輸入(見(jiàn)圖1中的S)。兩個(gè)邏輯輸入激光束的來(lái)自QS1A(402)和來(lái)自QS2的B(404)作為光學(xué)邏輯輸入并在輸出X(406)實(shí)現(xiàn)布爾代數(shù)"或非"。如前所述，如果A^0，應(yīng)用于每個(gè)量子開(kāi)關(guān)上的激光束R(408，411)可以是連續(xù)波。如果A-O，R必須是脈沖的，并和輸入邏輯激光A(402)同步。輸入激光束A(402)和B(404)也必須同步。表2顯示了兩個(gè)邏輯輸入A(402)和B(404)的組合在輸出X(406)實(shí)現(xiàn)布爾代數(shù)"或非"。表2<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>圖5為光子邏輯門(mén)"與"門(mén)，此邏輯門(mén)由兩個(gè)量子開(kāi)關(guān)串聯(lián)組成。這里，左邊的量子開(kāi)關(guān)QS1(512)的輸出Q2(509)作為右面的量子開(kāi)關(guān)QS2(513)的輸入S(見(jiàn)圖1中的S)。兩個(gè)邏輯輸入束中的來(lái)自QS1中的A(502)和來(lái)自QS2的B(504)的組合，在輸出Y(507)實(shí)現(xiàn)了布爾代數(shù)"與"。如前所述，如果A^0，應(yīng)用于每個(gè)量子開(kāi)關(guān)上的激光東R(511,508)可以是連續(xù)波。然而，如果△=0，R必須是脈沖的，并和輸入激光A(502)同步。輸入激光東A(502)和B(504)也必須同步。表3顯示了根據(jù)兩個(gè)邏輯輸入A(502)和B(504)在輸出Y(507)實(shí)現(xiàn)布爾代數(shù)"與"。表3<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>圖6為光子邏輯門(mén)"與非"/"或"門(mén)。此系統(tǒng)由兩個(gè)并聯(lián)的量子開(kāi)關(guān)組成，其中激光源S(601)是共享的。頂部的量子開(kāi)關(guān)QS1的輸出Ql和底部的量子開(kāi)關(guān)QS2的輸出Q3組合在一起，產(chǎn)生邏輯輸出X(604)。輸出Q2和Q4組合起來(lái)產(chǎn)生邏輯輸出Y(605)。當(dāng)失諧A不為O時(shí)，讀激光束R(609，606)是連續(xù)光，當(dāng)失諧A等于0時(shí)，讀激光束R是脈沖的，并與邏輯輸入激光束A(602)和B(607)同步。源激光東S(601)通過(guò)光分束器/組合器(610，611，612)，如Y分支或分束鏡分成兩部分。在兩個(gè)輸入A(602)和B(607)的作用下，輸出邏輯激光束X(604)和Y(605)分別實(shí)現(xiàn)布爾代數(shù)"與非"和"或"。見(jiàn)表4。表4<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>圖7為光子邏輯門(mén)"或非"/"異或"/"與"門(mén)。這個(gè)系統(tǒng)由三個(gè)量子開(kāi)關(guān)組成，其中兩個(gè)量子開(kāi)關(guān)與另外一個(gè)量子開(kāi)關(guān)相連。量子開(kāi)關(guān)QS1(716)的每個(gè)輸出Ql(712)和Q2(710)分別用作量子開(kāi)關(guān)QS2(718)和QS3(717)的輸入。輸出Pl(716)用作邏輯輸出X。輸出P2和P3結(jié)合起來(lái)用作邏輯輸出Z(707)。輸出P4(708)用作邏輯輸出Y。系統(tǒng)包括兩個(gè)邏輯輸入A(702)和B(704，715)。其中A用于QSl,B用于QS2和QS3。R(711，713，709)和C(703,705,714)的功能和前面討論的一樣。從表5中可以看到，兩個(gè)邏輯輸入A和B同時(shí)在輸出X實(shí)現(xiàn)布爾代數(shù)"或非"，在Z實(shí)現(xiàn)布爾代數(shù)"異或"，在Y實(shí)現(xiàn)布爾代數(shù)"與"。表5<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>權(quán)利要求1、一種光子邏輯門(mén)的方法，其特征在于，所述光子邏輯門(mén)使用一個(gè)或多個(gè)量子開(kāi)關(guān)，所述量子開(kāi)關(guān)的非線(xiàn)性光學(xué)介質(zhì)由三個(gè)空間相近的基態(tài)|1〉、|2〉、|3〉和激發(fā)態(tài)|4〉、|5〉組成，其中所述基態(tài)間的躍遷是偶極禁止的，通過(guò)所述激發(fā)態(tài)|4〉(和所述激發(fā)態(tài)|5〉，如果所述|5〉是實(shí)能級(jí))，所述基態(tài)|1〉和|3〉、所述基態(tài)|2〉和|3〉、所述基態(tài)|1〉和|2〉之間的雙光子躍遷是允許的，所述方法包含以下步驟a)通過(guò)光波導(dǎo)或自由空間給所述非線(xiàn)性光學(xué)介質(zhì)加第一道激光束作為輸入光束A，頻率為a,所述頻率a由所述基態(tài)|1〉和激發(fā)態(tài)|4〉之間的第一個(gè)躍遷決定；b)通過(guò)光波導(dǎo)或自由空間以頻率施加第二道激光束C，所述頻率^由所述基態(tài)|2〉和激發(fā)態(tài)|4〉之間的第二個(gè)躍遷決定；c)通過(guò)光波導(dǎo)或自由空間以給頻率&施加第三道激光東S，所述頻率^由所述基態(tài)|3〉和所述激發(fā)態(tài)|4〉之間的第三個(gè)躍遷決定；d)通過(guò)光波導(dǎo)或自由空間以頻率施加第四道激光束R，所述頻率由所述基態(tài)|3〉和所述激發(fā)態(tài)|5〉之間的第三個(gè)躍遷決定；e)調(diào)節(jié)所述第一道激光東A、第二道激光束C、第三道激光東S和第四道激光東R的強(qiáng)度，產(chǎn)生頻率為"g!的非簡(jiǎn)并四波混頻信號(hào)Ql，或頻率為^2的非簡(jiǎn)并四波混頻信號(hào)Q2，其分別對(duì)應(yīng)于雙光子相干感應(yīng)[Re/^]2或[Re/^f;f)將所述的非簡(jiǎn)并四波混頻信號(hào)Ql和Q2物理隔離地連接到光波導(dǎo)；g)通過(guò)光波導(dǎo)或自由空間，將兩個(gè)量子開(kāi)關(guān)和所述Q1或Q2分別連接起來(lái)，并共享所述S;h)連接兩個(gè)量子開(kāi)關(guān)，使得從一個(gè)量子開(kāi)關(guān)獲得的非簡(jiǎn)并四波混頻信號(hào)Ql和從另外一個(gè)量子開(kāi)關(guān)獲得的非簡(jiǎn)并四波混頻信號(hào)Q2結(jié)合起來(lái)；i)通過(guò)光波導(dǎo)或自由空間，連接第一個(gè)量子開(kāi)關(guān)的所述Ql或Q2和第二個(gè)量子開(kāi)關(guān)的所述S;j)通過(guò)光波導(dǎo)或自由空間，將第一個(gè)量子開(kāi)關(guān)的所述Q1和Q2信號(hào)和第二、第三個(gè)量子開(kāi)關(guān)的所述S分別連接起來(lái)。2、根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述激發(fā)態(tài)|4〉的選擇要使其能級(jí)高于所述基態(tài)|1〉、所述|2〉、所述|3〉的能級(jí)。3、根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述激發(fā)態(tài)|5〉的選擇要使其與所述激發(fā)態(tài)I4〉的能級(jí)間隔為失諧A，其中A為0或者接近所述R或A的光學(xué)拉比頻率。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一道激光A的拉比頻率Q,要大于所述第二道激光束C和所述第三道激光東S的拉比頻率。5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的第一道激光A，所述第二道激光C，所述第三道激光S和所述第四道激光R是同步的，并且滿(mǎn)足所述激光A、C和S是彼此時(shí)間重疊的，如果^=0,所述第四道激光R有時(shí)間延遲r,其中r要短于所述ll〉、|2〉和|3〉三個(gè)基態(tài)間的相位馳豫時(shí)間^。6、根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，如果A-0，所述第二道激光C和所述第四道激光R是一直開(kāi)著的，所述第一道激光A和所述第三道激光S是時(shí)間同步的。7、根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，在量子開(kāi)關(guān)的光路由器的應(yīng)用中，所述能級(jí)|4〉和|5〉之間的能級(jí)間隔，即失諧A，要大于或者接近所述第一道激光A的拉比頻率。8、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，用一個(gè)量子開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)布爾代數(shù)"非"，其中所述第一道激光控制所述第三道激光S,并將其反轉(zhuǎn)，使其轉(zhuǎn)化為所述輸出Q1。9、根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，用兩個(gè)串聯(lián)的量子開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)布爾代數(shù)"或非"，其中第一個(gè)所述非線(xiàn)性介質(zhì)的輸出Ql作為所述激光S輸入到所述的第二個(gè)非線(xiàn)性介質(zhì)中，所述第一道激光A和所述第二個(gè)非線(xiàn)性介質(zhì)的輸出Ql之間的關(guān)系滿(mǎn)足布爾代數(shù)"或非"。10、根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，用兩個(gè)串聯(lián)的量子開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)布爾代數(shù)"與"，其中第一個(gè)非線(xiàn)性介質(zhì)的輸出Q2作為所述激光S輸入到所述的第二個(gè)非線(xiàn)性介質(zhì)中，所述第一道激光A和所述第二個(gè)非線(xiàn)性介質(zhì)的輸出Q2之間的關(guān)系滿(mǎn)足布爾代數(shù)"與"。11、根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，用兩個(gè)并聯(lián)的量子開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)布爾代數(shù)"與非"/"或"，其中所述激光S為兩個(gè)所述非線(xiàn)性介質(zhì)共享，每個(gè)所述的輸出Ql和Q2分別組合起來(lái)，這樣，兩個(gè)分別應(yīng)用于所述的各自的非線(xiàn)性介質(zhì)的所述第一道激光A和所述組合輸出Q1、Q2之間的關(guān)系滿(mǎn)足布爾代數(shù)"與非"/"或"。12、根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于用三個(gè)相連的量子開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)布爾代數(shù)"或非"/"異或"/"與"，其中所述的第一個(gè)量子開(kāi)關(guān)的Q1和Q2作為所述S用于兩個(gè)并聯(lián)的量子開(kāi)關(guān)，而且并聯(lián)量子開(kāi)關(guān)的所述輸出Q2和Ql連接起來(lái)形成輸出Z，這樣，應(yīng)用于所述各自的非線(xiàn)性介質(zhì)的三道激光束所述A和所述輸出Ql、Q2和Z之間的關(guān)系分別滿(mǎn)足布爾代數(shù)"或非"、"與"和"異或"。13、一個(gè)光子邏輯門(mén)的裝置，其特征在于，所述裝置包括有一個(gè)或多個(gè)非線(xiàn)性光學(xué)介質(zhì)，所述非線(xiàn)性光學(xué)介質(zhì)包含有三個(gè)基態(tài)|1〉、|2〉、|3〉和一個(gè)激發(fā)態(tài)|4〉，所述基態(tài)|1〉和|2〉、|1〉和|3〉、|2〉和|3〉之間的躍遷是偶極禁止的，通過(guò)所述激發(fā)態(tài)|4〉的所述基態(tài)|1〉和|2〉之間、|1〉和|3〉之間、|2〉和|3〉之間的雙光子躍遷是允許的，所述裝置包括a)應(yīng)用于所述非線(xiàn)性光學(xué)介質(zhì)的第一道激光源，即所述的第一道激光A，頻率為^，^對(duì)應(yīng)于所述基態(tài)|1〉和所述激發(fā)態(tài)|4〉之間的第一個(gè)躍遷；b)應(yīng)用于所述非線(xiàn)性光學(xué)介質(zhì)的第二道激光源，即所述的第二道激光C,頻率為&，^對(duì)應(yīng)于所述基態(tài)|2〉和所述激發(fā)態(tài)|4〉之間的第二個(gè)躍遷；c)應(yīng)用于所述非線(xiàn)性光學(xué)介質(zhì)的第三道激光源，即所述的第三道激光S,頻率為&，&對(duì)應(yīng)于所述基態(tài)|3〉和所述激發(fā)態(tài)|4〉之間的第三個(gè)躍遷；d)應(yīng)用于所述非線(xiàn)性光學(xué)介質(zhì)的第四道激光源，即所述的第四道激光R，頻率為w,，^對(duì)應(yīng)于所述基態(tài)|3〉和所述激發(fā)態(tài)|5〉之間的第四個(gè)躍遷，所述激發(fā)態(tài)|5〉是實(shí)的或者是虛的；e)將所述的第三道激光S分成兩道或者多道光束，并應(yīng)用于每個(gè)所述非線(xiàn)性光學(xué)介質(zhì)的裝置，其中所述第三道激光的頻率為&，&對(duì)應(yīng)于所述基態(tài)|3〉和所述激發(fā)態(tài)|4〉之間的第三個(gè)躍遷；f)將從多個(gè)非線(xiàn)性光學(xué)介質(zhì)得到的所述的非簡(jiǎn)并四波混頻信號(hào)Ql和Q2組合起來(lái)并分別導(dǎo)入到相應(yīng)的光學(xué)通道中的裝置；g)通過(guò)調(diào)節(jié)所述的第一道激光、第二道激光、第三道激光和第四道激光的強(qiáng)度和頻率使所述基態(tài)|1〉和|2〉、所述|1〉和|3〉、所述|2〉和|3〉之間產(chǎn)生相干疊加態(tài)的裝置；h)使第一道激光A、第三道激光S和第四道激光R之間相互同步或延遲的裝置；i)使第一道激光A、第二道激光C、第三道激光S和第四道激光R在非線(xiàn)性光學(xué)介質(zhì)中空間重疊的裝置。14、根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于所述的非線(xiàn)性光學(xué)介質(zhì)是一種固體。15、根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于所述的非線(xiàn)性光學(xué)介質(zhì)是多耦合(multiplycoupled)的半導(dǎo)體。16、根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其特征在于，在所述多耦合的半導(dǎo)體中，所述基態(tài)|1〉、|2〉、|3〉和所述激發(fā)態(tài)|4〉、|5〉的選擇要在其導(dǎo)帶中。17、根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，所述的激光束A、C、S、R、Ql和/或Q2通過(guò)光波導(dǎo)、自由空間或等離子體波導(dǎo)連接所述非線(xiàn)性光學(xué)介質(zhì)。18、根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，所述第一道激光A作用于所述第三道激光S，以產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)布爾代數(shù)"非"的所述輸出Ql。19、根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，所述非線(xiàn)性介質(zhì)這樣相連第一個(gè)非線(xiàn)性介質(zhì)的輸出Ql作為所述第三道激光S輸入第二個(gè)非線(xiàn)性介質(zhì)，并且兩個(gè)應(yīng)用于各自所述非線(xiàn)性介質(zhì)的第一道激光A和所述第二個(gè)非線(xiàn)性介質(zhì)的輸出Q1之間的關(guān)系滿(mǎn)足布爾代數(shù)"或非"。20、根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，所述非線(xiàn)性介質(zhì)這樣相連第一個(gè)非線(xiàn)性介質(zhì)的輸出Q2作為所述第三道激光S輸入第二個(gè)非線(xiàn)性介質(zhì)，并且兩個(gè)作用于各自所述非線(xiàn)性介質(zhì)的第一道激光A和所述第二個(gè)非線(xiàn)性介質(zhì)的輸出Q2之間的關(guān)系滿(mǎn)足布爾代數(shù)"與"。21、根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，所述第三道激光S為兩個(gè)非線(xiàn)性介質(zhì)共享，并且將每個(gè)所述輸出Ql和Q2組合起來(lái)，對(duì)于作用于各自非線(xiàn)性介質(zhì)的兩個(gè)所述第一道激光A，結(jié)果分別滿(mǎn)足布爾代數(shù)"與非"和"或"。22、根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，所述三個(gè)非線(xiàn)性介質(zhì)是相連的，并且一個(gè)所述非線(xiàn)性介質(zhì)的兩個(gè)輸出Ql和Q2作為所述其余兩個(gè)非線(xiàn)性介質(zhì)的第三道激光S，將所述輸出Ql和Q2組合，三個(gè)輸出分別滿(mǎn)足布爾代數(shù)"或非"、"異或"和"與"。全文摘要本發(fā)明涉及一個(gè)基于量子開(kāi)關(guān)的光子邏輯門(mén)的系統(tǒng)、方法和裝置，其中一個(gè)或多個(gè)量子開(kāi)關(guān)用于暗態(tài)共振相互作用，即三色激光和一個(gè)四能級(jí)或五能級(jí)的非線(xiàn)性光學(xué)介質(zhì)通過(guò)非簡(jiǎn)并四波混頻過(guò)程相互作用，所述非線(xiàn)性光學(xué)介質(zhì)作用由三個(gè)基態(tài)和一個(gè)或者兩個(gè)激發(fā)態(tài)組成。此光子邏輯機(jī)制是建立在將一個(gè)或多個(gè)暗態(tài)共振導(dǎo)致的雙光子相干相結(jié)合的基礎(chǔ)上，所述相干是通過(guò)在共同激發(fā)態(tài)光學(xué)躍遷而在三個(gè)相鄰基態(tài)間進(jìn)行交換的。通過(guò)非簡(jiǎn)并四波混頻過(guò)程，基態(tài)間的雙光子相干可以被光學(xué)探測(cè)到。由于暗態(tài)共振或電磁感應(yīng)光透明，產(chǎn)生的非簡(jiǎn)并四波混頻被增強(qiáng)了。本光子邏輯門(mén)方法的門(mén)時(shí)間和帶寬只受相位弛豫時(shí)間限制，而不受布居數(shù)弛豫時(shí)間和載流子壽命的限制，一般來(lái)說(shuō)，在固體或半導(dǎo)體中，相位弛豫時(shí)間比布居數(shù)弛豫時(shí)間和載流子壽命要短得多。文檔編號(hào)G02B6/35GK101313238SQ200780000284公開(kāi)日2008年11月26日申請(qǐng)日期2007年3月7日優(yōu)先權(quán)日2006年10月24日發(fā)明者咸炳承申請(qǐng)人:仁荷大學(xué)校產(chǎn)學(xué)協(xié)力團(tuán)