空間光調(diào)制器（SLM）在大規(guī)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(fā)展正在為人類揭示復雜量子系統(tǒng)的物理規(guī)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(xiàn)象和解決復雜問題提供了新的途徑。空間光調(diào)制器（Spatial light modulator, SLM）憑借其動態(tài)調(diào)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(tài)調(diào)控提供了前所未有的靈活性。

什么是大規(guī)模可編程量子模擬器？
大規(guī)模可編程量子模擬器是一種利用量子系統(tǒng)的特性，通過可靈活編程的方式來模擬其他復雜量子系統(tǒng)行為的設備或系統(tǒng)。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(tǒng)的行為。量子系統(tǒng)具有一些獨特的性質，如量子疊加和量子糾纏。在經(jīng)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(xiàn)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(jīng)典計算機上編寫程序來實現(xiàn)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(tǒng)的初始狀態(tài)、相互作用等參數(shù)。

哈佛大學MikhAIl D. Lukin團隊展示的大規(guī)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(diào)制器可用于產(chǎn)生數(shù)百或者數(shù)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(shù)量從51個增加到256個，還能將原子排列成無缺陷圖案，創(chuàng)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(diào)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(diào)制器？
空間光調(diào)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(diào)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(xiàn)對光波相位或振幅的調(diào)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(diào)制器的工作原理圖

 

圖4 常見的液晶空間光調(diào)制器示意圖

可編程量子模擬器對空間光調(diào)制器的要求是什么？
1）高相位調(diào)制精度
量子系統(tǒng)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(xiàn)較大偏差。目前市面上成熟的空間光調(diào)制器產(chǎn)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(diào)制范圍內(nèi)，可實現(xiàn)λ/1024的相位分辨率/相位調(diào)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(diào)制器可以使更多的光能量按照需要的方式進行調(diào)制和傳播，提高光的利用率，增強光場與量子系統(tǒng)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(xù)的測量和分析。

3）高響應速度
量子系統(tǒng)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(tǒng)的演化，空間光調(diào)制器需要具備快速的響應速度，能夠在短時間內(nèi)完成對光場的調(diào)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(diào)制器快速響應，才能及時調(diào)整光場，實現(xiàn)對量子系統(tǒng)的有效控制，從而保證模擬的準確性和穩(wěn)定性。目前市面上純相位空間光調(diào)制器可實現(xiàn)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(diào)制器響應速度測試圖

4）高相位調(diào)制穩(wěn)定性
由SLM產(chǎn)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(shù)對于穩(wěn)定的衍射圖案，每個像素的相位延遲也必須是穩(wěn)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(shù)字尋尋址和模擬尋找。數(shù)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(diào)制或PWM）實現(xiàn)。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(diào)制穩(wěn)定性。

圖6 數(shù)字尋址與模擬尋址工作原理對比圖

 

圖7 SLM相位穩(wěn)定性示意圖

總結：
空間光調(diào)制器（SLM）憑借其對光波（相位&振幅）的精確調(diào)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(tài)制備到量子門操作模擬，再到糾纏態(tài)操控和光路控制，SLM都發(fā)揮著不可或缺的作用。隨著SLM技術的不斷發(fā)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(fā)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(fā)展。

參考文獻

1.https://doi.org/10.1038/s41586-024-08353-5

2. Liu, S. L., Zhou, Z. Y., Liu, S. K., Li, Y. H., Li, Y., Xu, Z. H., ... & Shi, B. S. (2018). Coherent manipulation of a three-dimensional maximally entangled state. arXiv preprint arXiv:1807.07257.

3. Reddy, D. V., & Raymer, M. G. (2018). High-selectivity quantum pulse gating of photonic temporal modes using all-optical Ramsey interferometry. Optica, 5(4), 423-428.

4. Xue, R., Yao, X., Liu, X., Wang, H., Li, H., Wang, Z., ... & Zhang, W. (2019). Spatial quantum beating of adjustable biphoton frequency comb with high-dimensional frequency-bin entanglement. IEEE Photonics Journal. 5. Reddy, D. V., & Raymer, M. G. (2017). Temporal-mode-selective optical Ramsey interferometry via cascaded frequency conversion. arXiv preprint arXiv:1710.06736.

6. Kewming, M. J., Shrapnel, S., White, A. G., & Romero, J. (2019). The advantages of ignorance. arXiv preprint arXiv:1903.09487.

7. Jie, Y. (2017). wavefront engineering for manipulating light-atom interactions.

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