空間光調制器（SLM）在大規模可編程量子模擬器中的應用

摘要：近年來，量子計算的快速發展正在為人類揭示復雜量子系統的物理規律提供前所未有的工具。可編程量子模擬器作為量子計算領域的重要成果，為探索量子現象和解決復雜問題提供了新的途徑。空間光調制器（Spatial light modulator, SLM）憑借其動態調控光場相位、振幅和偏振的能力，逐漸成為量子模擬器中的核心元件。SLM 主要用于對量子比特進行操控和編碼，

為光鑷陣列、冷原子操控以及光子量子態調控提供了前所未有的靈活性。

什么是大規模可編程量子模擬器？
大規模可編程量子模擬器是一種利用量子系統的特性，通過可靈活編程的方式來模擬其他復雜量子系統行為的設備或系統。可編程量子模擬器具有以下特性：1）量子特性模擬：量子模擬器基于量子力學原理構建，旨在模擬量子系統的行為。量子系統具有一些獨特的性質，如量子疊加和量子糾纏。在經典計算機中很難直接對這些特性進行精確模擬，而量子模擬器可以利用類似的量子物理現象來構建模型。2）可編程性：這意味著用戶可以對其進行編程操作。就像在經典計算機上編寫程序來實現不同功能一樣，在量子模擬器上，研究人員可以通過編寫特定的指令來設定模擬的量子系統的初始狀態、相互作用等參數。

哈佛大學MikhAIl D. Lukin團隊展示的大規模可編程量子模擬器支持多達256個量子比特，這些量子比特以二維陣列形式精準排列。該團隊光路中的核心器件空間光調制器可用于產生數百或者數千個獨立可控的光鑷光束。該陣列可用于捕獲中性原子，可將原子組裝成二維光鑷陣列，將可運行量子比特數量從51個增加到256個，還能將原子排列成無缺陷圖案，創建可編程形狀（如正方形、三角形晶格等）來設計不同量子比特之間的相互作用。

圖1 使用空間光調制器（SLM）生成的點陣

 

圖2 Mikhail D. Lukin團隊使用的光路圖

什么是空間光調制器？
空間光調制器（Spatial Light Modulator，SLM）是一種基于液晶的雙折射原理，對光波的相位和振幅進行調制的設備。液晶分子的排列可由外部電場控制，改變施加在液晶單元上的電壓，分子排列改變，進而影響液晶層光學性質，實現對光波相位或振幅的調制。對于向列型液晶，液晶分子長軸方向折射率與短軸不同，電壓改變分子排列方向，使通過液晶層的光波相位因折射率變化而改變。

圖3 液晶空間光調制器的工作原理圖

 

圖4 常見的液晶空間光調制器示意圖

可編程量子模擬器對空間光調制器的要求是什么？
1）高相位調制精度
量子系統對相位的變化非常敏感，微小的相位誤差都可能導致模擬結果出現較大偏差。目前市面上成熟的空間光調制器產品（例如美國Meadowlark Optics公司的UHSPDM1K系列）可配置10bits的控制器，在0-2PI相位調制范圍內，可實現λ/1024的相位分辨率/相位調制精度。

2）高衍射效率
上文提到用戶使用SLM生成成百上千的點陣，因此，高衍射效率的空間光調制器可以使更多的光能量按照需要的方式進行調制和傳播，提高光的利用率，增強光場與量子系統的相互作用效率，從而提升量子模擬的效果和信號強度，有利于后續的測量和分析。

3）高響應速度
量子系統的演化過程通常非常迅速，為了能夠實時跟蹤和控制量子系統的演化，空間光調制器需要具備快速的響應速度，能夠在短時間內完成對光場的調制。例如在模擬量子比特的快速翻轉或量子糾纏的快速建立等過程中，只有空間光調制器快速響應，才能及時調整光場，實現對量子系統的有效控制，從而保證模擬的準確性和穩定性。目前市面上純相位空間光調制器可實現的z快響應速度大概在500-2000Hz@500-1200nm波段（Meadowlark Optics公司UHSPDM1K系列SLM），可以很好的滿足可編程量子模擬器對于SLM高速的要求。

圖5 液晶空間光調制器響應速度測試圖

4）高相位調制穩定性
由SLM產生的衍射圖案是每個單獨像素傳遞給光的相位延遲的函數對于穩定的衍射圖案，每個像素的相位延遲也必須是穩定的。在LCoS SLM中，相位延遲是每個像素以上的液晶方向的結果。這個液晶取向是由橫跨液晶層的電場，由像素上的電壓設定。

驅動LCoS有兩種方式：數字尋尋址和模擬尋找。數字背板設置為GND或Vmax，然后為中間電平（時序電壓平均）通過時間順序變化（脈沖寬度調制或PWM）實現。模擬背板可設置為從GND到Vmax的任何電壓。因此，模擬尋址的方式可大大提高SLM的相位調制穩定性。

圖6 數字尋址與模擬尋址工作原理對比圖

 

圖7 SLM相位穩定性示意圖

總結：
空間光調制器（SLM）憑借其對光波（相位&振幅）的精確調制能力，在可編程量子模擬器中具有廣泛的應用前景。從量子態制備到量子門操作模擬，再到糾纏態操控和光路控制，SLM都發揮著不可或缺的作用。隨著SLM技術的不斷發展，如提高分辨率、降低功耗、提高響應速度等，它將為可編程量子模擬器的發展提供更強大的支持，有助于推動量子計算和量子信息處理等領域的進一步發展。

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