量子场可编程光子门阵列集成光子和量子器件以及可编程电路

电子电路装置的制造及其应用技术1.本发明涉及一种通过可编程光子处理块的组合和互连实现的集成光子和量子系统，该系统在光子电路上实现，该光子电路能够通过光反馈路径和/或线性多端口变换实现一种或多种量子和经典电路，通过对其资源的规划和输入输出端口的选择。本发明还涉及一种量子场可编程光子门阵列(q-fppga)，包括至少一种基于具有独立相位调谐的可调谐分束器的可编程电路、和能够进行经典和量子操作的外围高性能构建块。背景技术：2.可编程多功能光子学(pmp)旨在设计集成光学硬件的配置，通过对其组件进行适当的编程，实现广泛的应用和功能。不同的作者已经涵盖了提出基于级联分束器或马赫-森德干涉仪(mzi)的可编程电路的不同配置和设计原则的理论工作。这些方案提供实现可编程电路的多功能硬件解决方案，但它们并没有为光子器件定义完整的架构解决方案，该光子器件可以通过编程单独或同时实现简单、复杂甚至任意的电路。考虑到上述细节，仅提出最近的专利(us16/235,056、jp2018-247546、p201930410、p201831118)，从而定义场可编程光子阵列(fpga)。3.此外，已经证明，将基本光学处理单元与编程/调谐/选择其输出端口之间的分束比和相位调谐的能力相结合，可以产生具有不同网格拓扑的波导网格元件，并在它们功能方面具有开创性的多用性。特别是，所提出的一些架构能够在网格内实现光信号的反馈环路，允许形成光腔、sagnac型环路和更复杂的电路。此外，最近的一项专利申请(p201930410)还描述了基于具有相同空间/角度方向的可调谐基本单元(tbu)组合的波导网格的技术改进。这意味着tbu的纵轴相互平行。这种技术优势可以减少制造缺陷，提高制造电路的性能和可扩展性。4.同时，许多作者发表了在波导网格输入端执行导模线性变换的集成电路。所提出的架构需要分束器和相位执行器的组合和固定互连。一些出版物利用这些电路来执行用于量子信号处理的有限操作集，最显著的是在创建变换阵列时，它们描述了输入和输出模式之间的操作。5.发明概述6.这里描述的本发明的目的解决了上述问题，并允许设计可编程量子和经典信号处理系统，其中所有提及的组件都连接到可重构的光核，该光核允许实现可重构的线性变换，经典高性能处理块、量子高性能处理块、芯片间耦合器和芯片光纤耦合器之间的信号调节和动态互连。7.本发明的目的基于可编程光子模拟单元的重复、复制和互连以及优选在光子芯片中实现的可重构互连。这些组件提供基本的构建块，以实现基本的光模拟信号操作(可重构的光功率和能量分配以及独立的相位配置)以及可重构的2x2旋转阵列或门。在非常广泛的意义上，可以认为所执行的处理是可重新配置的，其方式与可编程逻辑块(plb)在电子fpga或可配置模拟块(cba)中执行数字操作的方式相同，后者在现场可编程模拟阵列(fpaa)中执行模拟操作。因此，考虑到下面提出的内容，可以观察到，本发明的目的允许通过对资源和集成组件(即可编程光子模拟块)的特定编程来获得一个或多个同时的光子电路和/或线性多端口变换，经典高性能构建块(hpb)和量子高性能构建块(qhpb)以及所用端口的选择。因此，本发明的主要贡献是架构、工作流、技术层堆栈和技术描述，这些使得多用途互连方案的编程能够与经典信号处理并行地执行量子信号处理和量子信号处理。本发明的目的是提供一种体系结构，该体系结构由连接到光端口的核心、高性能处理块和高性能量子处理块组成，包括至少三层，从物理和软件角度描述该体系结构。该器件的核心可以实现为具有相同取向的可编程光子模拟块或可调谐基本单元的不同类型的内部互连，并形成图案。但这不是一个限制性示例，即：a)常规六边形均匀分布、b)等向单元的拟议布局、c)常规三角形均匀分布、d)等向单元的拟议布局、e)等向单元的拟议布局并形成非均匀图案。8.本发明的目的在一组权利要求中描述，在此通过引用包括在内。9.全量子操作要求电路由来自量子源的信号以光学方式馈电，该信号在量子信号检测元件中检测。总而言之，尽管这些系统或电路能够执行量子操作所需的可重构线性变换，但它们不能为处理器中所需的不同子系统或处理块之间的动态互连提供所需的灵活性。10.光子和量子系统是本发明的量子场可编程光子门阵列，它带来了场或实时编程固有的一系列优点，并通过本发明引入的电路拓扑进行了扩展。其中包括：11.·缩短生产时间和上市时间。12.·缩短原型开发时间和非经常性相关成本。13.·降低开发创意并将其转化为肉冻的财务风险。14.·多功能和同时或并联操作电路。15.·电路优化。16.·减少了制造区域，优化了单一和通用架构。17.·可编程光子模拟块的更好产量和再现性。18.·不受几何因素和固定布局约束的更多备选拓扑。19.本发明的拟议芯片(q-fppga)适用于以下应用：20.经典应用：21.·航空航天和国防(航空电子、通信、安全解决方案、航天)22.·汽车(高分辨率视频、图像处理、车辆联网和连接)23.·数据中心(服务器、路由器、交换机、网关)24.·高性能计算(服务器、超级计算机、sigint系统、高端雷达、高端波束形成系统、量子计算、高速神经网络)25.·集成电路设计(aspic原型、硬件仿真)26.·有线和无线通信(光传输网络、5g连接接口、移动回程)27.·硬件加速器。28.·人工智能、机器和深度学习应用。29.·教育工具包。30.附图简述31.为了补充所作的描述，并为了帮助更好地理解本发明的特征，根据本发明的优选实际实施例，所述描述作为其组成部分附有一组图，其中以说明性和非限制性的方式表示了以下内容：32.图1显示q-fppga体系结构的总体方案，以及从物理和软件角度描述体系结构的三个层的详细信息。33.图2a显示q-fppga核心实施例示意图的非限制性示例，(a1)：常规六边形均匀分布，(a2)：建议的等方向单元布局。34.图2b显示q-fppga核心实施例示意图的非限制性示例，(b1)常规方形均匀分布，(b2)：建议的等方向单元布局。35.图2c显示q-fppga核心实施例示意图的非限制性示例，(c1)：常规三角形均匀分布，(c2)：建议的等方向单元布局。36.图2d-e显示具有等取向可调谐基本单元且遵循非均匀图案的q-fppga核心的实施例的示意图的一些非限制性示例。37.图3显示q-fppga体系结构中存在的不同经典和量子器件的非限制性分类。38.图4(左)显示本发明集成光子和量子系统的设计/配置流程中涉及的主要步骤，以及(右)光子电路的软层和硬层以及包括外围高性能元件的扩展布局。39.图5显示使用本发明芯片的可重构q-fppga核同时实现经典环形腔电路、马赫-森德干涉仪和3x3多端口设备。40.图6在左边显示一个带有验证路径的量子电路实现的非限制性示例(在本例中为cnot门)。41.图7显示可编程量子电路的交换或同时资源共享集的实现的非限制性示例。42.图8显示同时实现一组独立量子电路的非限制性示例。每个电路使用自己的资源。43.图9显示对应于量子傅里叶变换的可编程量子电路的非限制性示例。44.图10(左)显示量子和经典电路的同时配置示例，以及(右)实现电路的布局。45.发明详述46.下面描述根据所示附图的本发明的示例性实施例。在图1中，可以看到q-fppga，包括至少一个，但最好是大量可编程光子模拟块(ppab)，通过集成在光子电路中的一系列波导元件实现。这些块具有可编程特性，可以在两个方向上传播光信号。图1中的设计未考虑q-fppga核心的任何特定互连拓扑，因此所示的最终设计仅用于说明目的。图2说明了为实现q-fppga核心而设计的不同备选方案和互连几何结构。虽然可以考虑实施ppab的各种配置，但这里我们用非常基本的4-端口单元来说明设计，如us 16/235,056、jp 2018-247546、p201930410、p201831118所述，特此作为参考。ppab的功能是提供独立的可调功率耦合关系和可调相位响应配置，如下所述。总的来说，波导网格在不同的q-fppga端口和区域之间以及在经典和量子高性能构建块之间执行动态路由或切换。47.与现代fpga系列类似，q-fppga可以包括经典和量子高性能处理块(hpb、qhpb)，以扩展其功能，并包括连接到芯片核心的更高级别功能。图1的右侧部分示意性地显示了这一点。与通过核心的基本块实现这些功能相比，将这些功能和高级块嵌入芯片可以减少这些功能所需的面积。此外，某些功能无法通过专门使用内核进行划分和编程。这些处理块的示例包括高色散元件、螺旋延迟线、通用调制和光检测子系统、光放大器和光源子系统以及高性能滤波结构。hpb的特殊情况包括互连到光核的元件，该元件包括复用和解复用子系统，其中任一子系统可以是频谱循环或非循环的，从而能够在不同的空间信道/模式以及不同的频谱信道/模式上进行处理。然而，主要的技术进步来自量子hpb的互连。这些提供了量子功能，可以在q-fppga核心内有效地进行划分、分布和编程，此外还可以与hpb和qhpb结合，作为量子源、检测器、处理信号和辅助检测器。图3提供q-fppga中组件的非限制性示例。48.ppab是2x2光子块或组件，能够在其波导输入和输出访问字段之间独立配置公共相移dppab和光功率分裂比k＝sin((0《＝k《＝1)。49.借助特定编程和处理块的串联，q-fppqa可以通过将传统光学处理电路拆分为可重构光子互连(rpi)和ppab单元，并通过使用高性能处理块，实现复杂的自治和/或并行电路、信号处理转换和量子处理操作。特别是，通过三种通用设计(分别如图5所示)说明q-fppga核心编程的概念。图5(a)显示每个处理块的配置如何导致基于环形谐振器和马赫-森德干涉仪的两个光学滤波器的编程。图5(b)显示q-fppga核心的编程，以获得多端口干涉仪。50.根据本发明的量子场可编程光子门阵列(q-fppa)是未提交元素的数组，可以根据为各种经典和量子应用程序配置的用户规范进行互连。q-fppga将最基本的可重构光子集成电路和量子处理组件的可编程性结合在一个可伸缩的互连结构中，允许具有更高处理密度的动态可编程电路。因此，复杂电路的编程来自互连性。我们提出的发明解决一些与量子电路相关的问题。量子和经典电路采用集成在芯片中的共享资源进行编程，从而带来直接(或现场)可编程硬件方法固有的优势：生产、开发和将解决方案推向市场的时间更短，原型开发时间更短，工程成本不重复，在开发创意并将其转化为aspic、多功能和多任务操作、电路优化、更好的ppab产量和再现性方面降低了财务风险。与fppa或可重构光子电路相比，由于高性能处理块的聚合以及工作流和体系结构的设计，本发明结合了动态量子信号处理。51.图4的左侧显示设计流程的主要步骤，现在对其进行了描述。与光子fppa类似，设计流程的起点是要实现的应用程序的入口。在这种情况下，它们可以是经典和/或量子应用。然后通过优化程序处理这些规格，以提高使用面积和最终电路的性能。然后，将规范转换为与q-fppga(技术映射过程)中包含的元件兼容的电路，优化延迟、性能或使用的元件数量等属性。52.技术映射阶段将优化后的网络转换为由一组受限的q-fppga元件组成的电路。这是通过选择网络的组件和部分来实现的，每个组件和部分都可以通过q-fppga中可用的元素来实现，然后指定这些元素将如何互连。这将确定目标实现所需的处理组件总数。53.然后，决定电路不同部分的位置，将每个部分分配到q-fppga中的特定位置。此时，全局路由负责选择将用作访问路径的处理元素。与电子fpga相比，这种结构在物理上不区分处理元件和互连元件。随后，相应地配置处理元件，计算性能并验证设计。这个过程可以通过向编程单元提供所有必要的配置数据来配置最终芯片，也可以通过使用q-fppga的精确模型来完成。在每个步骤中，都可以运行优化过程，该过程可能决定重新配置前面的任何步骤。54.从上述描述可以理解，q-fppga不仅涉及物理光子和电子控制硬件，而且还包括软件层(参见图1和图4的右上部分)。55.设计流程中包含的步骤可以由软件层、用户或两者的混合自动完成，具体取决于q-fppga的自主性和能力。此外，上述任何步骤中的故障都需要迭代过程，直到成功满足规范。除了能够容忍故障和制造缺陷以及提高物理设备的处理能力外，并行优化过程还提供了稳健的操作。56.此外，q-fppga可以包含多个独立的内核，这些内核可以相互连接并连接到高性能处理块，以提高其处理能力。这些波导芯可以集成在同一基板或不同的芯片中。57.操作示例58.图6至图10提供了一些示例，其中不同类型的q-fppga被编程以同时模拟和实现不同的量子光子电路。这些示例代表了这些能力，并不打算详尽无遗。它们显示了简单的配置，可以扩展到更复杂的电路。在这些布局中，仅显示相关组件，如输入/输出端口、hpb和qhpb。在每种情况下，图中都包括q-fppga布局，其中波导芯中有高亮显示的工作ppab，以及不同实现电路的布局。59.图6显示q-fppga编程实现量子门的操作情况。此处所示的情况对应于具有图右侧所示布局的c-not门)，其中输入状态和预告光子由qhpb生成，qhpb通过自发四波混频(sfwm)等非线性效应生成光子对，输出状态和预告光子通过实现光子计数器的特定qhpb块检测。可编程网状波导实现两项任务，即对swfm产生的两个光子中的一个进行滤波，以及实现cnot门的线性酉变换。理想情况下，qhpb应位于同一芯片上，但它们可以通过混合或异构集成的方式位于q-fppga的外部。请注意，为简单起见，未使用的hpb块以及本例中未使用的q-fppga的输入和输出端口未显示。此外，通过扩展所示概念，使用更大比例的资源、组件和网状部分，以及额外的qhpb实现额外的源和检测器，可以实现更复杂的电路。60.图7显示切换模式下的操作。这里，在q-fppga中的可用源上编程了两个或多个电路，在这种情况下，它们共享公共qhpb，特别是独立的光子源。该示例显示三角形玻色子采样器和hadamard门，其实现分别显示在右上部分和右下部分。这两种电路共享通过sfwm产生光子对的qhpb，以及由波导网格形成的核心的公共部分，以实现其相应的线性变换。通过调谐波导网内的可编程光子模拟块(ppab)来执行切换，以选择一个或另一个电路的操作。在此示例中，光子检测通过非共享qbpb执行。61.图8说明共享模式下的操作，其中两个或多个电路同时配置在由波导网格和外围块定义的物理设备上。在这种特定情况下，qhpb分别用于准备和检测输入和输出信号，波导网格的不同部分用于实现所需的光子滤波和线性酉变换。在这种情况下，这两个电路是hadamard门和对应于x、y和z旋转变换的级联门。实现阿达玛门初始状态的qhpb是需要后滤波的光子对源，而实现旋转级联矩阵初始状态的qhpb是单光子源。62.图9说明通过输入/输出端口将状态或量子模式(尺寸为n)输入qfpga输入的情况。这里，qfpga被编程为执行简单的线性变换，除非需要测量最终状态，否则不使用额外的qhpb。例如，图9中的示例表示量子傅立叶变换操作的实现。最后，图10显示混合经典和量子信号操作的示例。在这里，由波导网格形成的部分磁芯实现了量子门(旋转阵列级联)，而另一部分实现了经典耦合腔滤波器(crow)，以处理由两个hpb(由集成dbf激光器和外部调制器组成)生成的经典信号。63.物理实现64.q-fppga器件的物理实现需要一种集成光学方法，该方法基于硅光子学技术或第iv组的其他材料，或通过混合/异质组合以及第iii-v组的其他材料。65.对于ppab元件，当前可用的集成光电子技术选项允许集成相位调谐元件，如：mems、热光效应、光机效应、电容效应、相变材料或非易失性致动器。这些相位致动器集成在任何具有两个以上端口的干涉或非干涉、谐振器或非谐振器结构中。最后，如前所述，可以通过设置不同的块互连方案来设计更复杂的q-fppga布局。图2显示一些示例。66.如图1所述，与集成光学电路相对应的物理设备(硬件)需要与控制电子设备进行系统集成，以执行光电执行器的编程任务，并执行电路的任务和全局优化。









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