本发明涉及手性谷光子传输、量子计算，特别地涉及一种基于手性谷光子传输的单量子比特逻辑门实现方法。
背景技术：
1、量子计算具有多方面的独特优势，这主要源于其基于量子力学原理的特性和操作机制。首先，量子比特具有叠加的特性，使得量子计算机能够同时处理多个计算路径，实现真正的并行计算。其次，量子纠缠的特性使得量子比特之间的状态相互关联，实现了超越经典限制的通信和数据传输，这为量子通信提供了绝对安全的加密方式。此外，量子算法如shor's算法和grover's算法专门针对量子系统设计，能够高效地解决某些经典计算机难以处理的问题。量子随机性和不确定性特性为算法设计和优化提供了新的可能性。随着量子技术和硬件的不断进步，量子比特的稳定性和可控性得到了提高，为实现大规模量子计算提供了可能。这些优势的综合作用，使得量子计算在科学研究和技术应用上展现出巨大的潜力和广泛的应用前景。
2、现有技术的技术方案中设计制造了一种全光衍射神经网络量子逻辑门，该网络利用光学衍射建立单个神经元的输出函数，并构建前向传播推理模型。其优点在于计算速度快，功耗低，缺点在于体积较大，不利于片上集成，计算误差较大。
3、比起基于全光衍射神经网络的量子逻辑门，基于手性谷光子传输的量子逻辑门波导材料为ws2，发光材料为wse2这两种材料均为二维材料，因此在尺寸上可以将器件做到微米级且本发明器件尺寸仅为7×7μm，大大提高了器件集成度。并且在进行量子计算时，由于并未使用神经网络等算法，因此避免了神经网络算法准确率低带来的计算误差及光场泄露，这大大增加了结果的可信度，减小了计算误差。此外，本发明使用的量子光源以手性为通道传输量子信息，在光源的构建难度上也明显优于已存在的技术。
技术实现思路
1、量子计算是基于量子力学的计算技术，有着重大的科学意义。它利用量子比特的叠加和纠缠特性，能够高效地处理一系列经典计算机难以解决的问题，如：整数分解和某些优化问题，从而在计算密集型任务上展现出巨大的潜力。在科学研究方面，量子计算机能够高效地模拟和研究复杂的量子系统，如分子结构和材料特性，为新药物的发现和材料设计提供强大的工具。随着技术的进步，量子计算有望引领未来的计算科学和技术发展，为新的产业和应用领域开辟新的前景。
2、量子逻辑门是量子计算的基础单元，可以实现对量子比特的操作和控制。这些量子逻辑门可以在量子算法中进行复杂的计算。量子逻辑门与经典计算的逻辑门(与门、或门、非门)不同，量子逻辑门是线性的、幺正的操作，它们在量子比特上进行作用。其中单量子比特逻辑门主要有四种：pauli-x，pauli-y，pauli-z，hadamard。存在量子比特∣ψ>＝α∣0>+β∣1>，下面将对此量子比特分别进行各个单量子比特逻辑门的运算：
3、
4、信息单向传输是一门传统的技术，该技术目前已经在声波、射频信号以及量子比特上得到了应用。随着研究的深入，科研工作者们发现电子的谷赝自旋同样也可以作为信息载体，同时比起传统的信息载体，此信息载体有着很高的信息传输速度、较低的能源损耗率以及更少的热量产出。但是由于激子寿命短、谷极化以及谷材料的电子迁移率较低很难实现谷循环，所以将激子的谷指数转换为光子的手性就可以很好的克服这一问题。最后就可以实现只使用一根光纤将不同手性的光子传播到不同的方向。
5、本发明的主要目的是将两种技术结合，利用谷光子携带量子信息，利用二维材料作为波导时产生的拍频，设计相应的光学器件，在单向传输谷光子的同时，完成相应的量子计算任务。本发明旨在提供一种高传输速度、低能源损耗、一体式、高集成度的片上二维材料单量子比特逻辑门。
6、本技术提出了一种基于手性谷光子传输的单量子比特逻辑门实现方法，包括泵浦光源、波导材料ws2、衬底材料sio2、下转换材料wse2和基底材料si；
7、利用泵浦光源构造以手性为通道的量子光源，将量子比特中的标量与量子光源的旋度相对应，其数学表达式为：
8、
9、其中α，β为任意量子比特中的标量，θ为四分之一玻片旋转的角度；为相位差；在本发明中可以通过改变θ从而改变两束垂直线偏光之间的相位差进而完成α，β的输入，i表示虚部单位，表示左旋通道，表示右旋通道；
10、将泵浦光源照射在二维材料wse2上，激发偶极子光源，偶极子光源发出的荧光被耦合到波导材料ws2里面，形成gm1和gm2两个模式，当有旋度的光入射时会在波导中形成拍频；
11、人为规定照射波导最左侧时为pauli-x，最上端时为pauli-z，最右端时为pauli-y，最下端时为hardmard，根据入射规则将不同的布洛赫球投影面映射到输出图像上；
12、得到输出图像后进行强度标定，规定每个通道归一化的输出强度为量子计算结果中的标量，通道位置为量子计算结果中的矢量。
13、优选地，泵浦光源的波长为810nm。
14、优选地，偶极子光源的波长为710nm。
15、优选地，波导整体呈中心对称的十字形状，波导整体长度为5微米，中心方形环路边长尺寸为500nm，十字形状的端部宽度为200nm，波导高度为80nm，衬底高度为100nm。
16、上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。
17、基于手性谷光子传输的单量子比特逻辑门的工作原理为：首先使用810nm的泵浦光源激发下转换材料wse2发光，wse2发出710nm的荧光被耦合到波导材料ws2里面，由于ws2做波导时具有多个波导模式，在本发明中使用前两个波导模式，当波长为710nm时同时具有这两种波导模式，且波导模式gm1在z方向的电场分布为对称分布，波导模式gm2在z方向的电场分布为反对称分布，因此同时拥有这两种波导模式就可以在波导中以拍频的方式单向传输光子，并且由于这两种波导模式存在波矢不匹配的特性，可以通过相应理论计算得到拍频长度最终将输入的光量子信息在进行传输的同时完成量子计算任务，输出通道光强代表量子比特中的标量，输出通道的位置代表量子比特中的矢量。
18、本发明中一种基于手性谷光子传输的单量子比特逻辑门实现方法，包括以下步骤：
19、设置量子逻辑门的物理参数，包括：选择二维材料、光源波长、整体尺寸、谷光子环路尺寸、波导尺寸、衬底尺寸如图1所示。
20、构建输入光源，使谷光子光源既携带旋度信息又携带量子信息。
21、利用在ws2波导中形成的拍频，将不同手性的谷光子传输到相应的输出口，其中左旋光顺时针传输，右旋光逆时针传输。
22、收集输出端口的输出强度与输入谷光源携带的旋度信息，拟合两者之间的函数关系，函数关系如图2所示。
23、根据设定的空间复用规则将相应的布洛赫球特定面的投影映射到输出图像上。
24、根据输出口的强度信息确定量子计算结果中的标量，根据输出口在布洛赫球投影上的映射位置确定量子计算结果中的矢量。
25、整合标量矢量输出量子计算结果。
26、本发明提供的一种基于手性谷光子传输的单量子比特逻辑门实现方法，与现有技术相比，至少具备有以下有益效果：
27、1.结合量子计算和谷光子传输，以光速进行量子计算，并大大降低了计算过程中的能量消耗；
28、2.利用二维材料作为波导可以使器件尺寸缩小到微米级，大大增加了片上集成度；
29、3.同一器件可以完成四种单量子比特逻辑门运算，实现了空间复用，增加了空间利用率，增加了片上集成度。
1.一种基于手性谷光子传输的单量子比特逻辑门实现方法，其特征在于，包括泵浦光源、波导材料ws2、衬底材料sio2、下转换材料wse2和基底材料si；
2.根据权利要求1所述的基于手性谷光子传输的单量子比特逻辑门实现方法，其特征在于，泵浦光源的波长为810nm。
3.根据权利要求1所述的基于手性谷光子传输的单量子比特逻辑门实现方法，其特征在于，偶极子光源的波长为710nm。
4.根据权利要求1所述的基于手性谷光子传输的单量子比特逻辑门实现方法，其特征在于，波导整体呈中心对称的十字形状，波导整体长度为5微米，中
