空間光調(diào)制器（SLM）在大規(guī)模可編程量子模擬器中的應(yīng)用

摘要：近年來(lái)，量子計(jì)算的快速發(fā)展正在為人類揭示復(fù)雜量子系統(tǒng)的物理規(guī)律提供的工具。可編程量子模擬器作為量子計(jì)算領(lǐng)域的重要成果，為探索量子現(xiàn)象和解決復(fù)雜問(wèn)題提供了新的途徑。空間光調(diào)制器（Spatial light modulator, SLM）憑借其動(dòng)態(tài)調(diào)控光場(chǎng)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(duì)量子比特進(jìn)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(guò)可靈活編程的方式來(lái)模擬其他復(fù)雜量子系統(tǒng)行為的設(shè)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(xué)原理構(gòu)建，旨在模擬量子系統(tǒng)的行為。量子系統(tǒng)具有一些性質(zhì)，如量子疊加和量子糾纏。在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中很難直接對(duì)這些特性進(jìn)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(lái)構(gòu)建模型。2）可編程性：這意味著用戶可以對(duì)其進(jìn)行編程操作。就像在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上編寫(xiě)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)不同功能一樣，在量子模擬器上，研究人員可以通過(guò)編寫(xiě)特定的指令來(lái)設(shè)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(xué)Mikhail D. Lukin團(tuán)隊(duì)展示的大規(guī)模可編程量子模擬器支持多達(dá)256個(gè)量子比特，這些量子比特以二維陣列形式精準(zhǔn)排列。該團(tuán)隊(duì)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(gè)獨(dú)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(yùn)行量子比特?cái)?shù)量從51個(gè)增加到256個(gè)，還能將原子排列成無(wú)缺陷圖案，創(chuàng)建可編程形狀（如正方形、三角形晶格等）來(lái)設(shè)計(jì)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(diǎn)陣

圖2 Mikhail D. Lukin團(tuán)隊(duì)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(duì)光波的相位和振幅進(jìn)行調(diào)制的設(shè)備。液晶分子的排列可由外部電場(chǎng)控制，改變施加在液晶單元上的電壓，分子排列改變，進(jìn)而影響液晶層光學(xué)性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光波相位或振幅的調(diào)制。對(duì)于向列型液晶，液晶分子長(zhǎng)軸方向折射率與短軸不同，電壓改變分子排列方向，使通過(guò)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(jiàn)的液晶空間光調(diào)制器示意圖

可編程量子模擬器對(duì)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(duì)相位的變化非常敏感，微小的相位誤差都可能導(dǎo)致模擬結(jié)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(guó)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(shí)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(diǎn)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(jìn)行調(diào)制和傳播，提高光的利用率，增強(qiáng)光場(chǎng)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(hào)強(qiáng)度，有利于后續(xù)的測(cè)量和分析。

3）高響應(yīng)速度

量子系統(tǒng)的演化過(guò)程通常非常迅速，為了能夠?qū)崟r(shí)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(yīng)速度，能夠在短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)光場(chǎng)的調(diào)制。例如在模擬量子比特的快速翻轉(zhuǎn)或量子糾纏的快速建立等過(guò)程中，只有空間光調(diào)制器快速響應(yīng)，才能及時(shí)調(diào)整光場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)量子系統(tǒng)的有效控制，從而保證模擬的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。目前市面上純相位空間光調(diào)制器可實(shí)現(xiàn)的z快響應(yīng)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(duì)于SLM高速的要求。

圖5 液晶空間光調(diào)制器響應(yīng)速度測(cè)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(gè)單獨(dú)像素傳遞給光的相位延遲的函數(shù)對(duì)于穩(wěn)定的衍射圖案，每個(gè)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(gè)像素以上的液晶方向的結(jié)果。這個(gè)液晶取向是由橫跨液晶層的電場(chǎng)，由像素上的電壓設(shè)定。

驅(qū)動(dòng)LCoS有兩種方式：數(shù)字尋尋址和模擬尋找。數(shù)字背板設(shè)置為GND或Vmax，然后為中間電平（時(shí)序電壓平均）通過(guò)時(shí)間順序變化（脈沖寬度調(diào)制或PWM）實(shí)現(xiàn)。模擬背板可設(shè)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(duì)比圖

圖7 SLM相位穩(wěn)定性示意圖

總結(jié)：

空間光調(diào)制器（SLM）憑借其對(duì)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(yīng)用前景。從量子態(tài)制備到量子門(mén)操作模擬，再到糾纏態(tài)操控和光路控制，SLM都發(fā)揮著作用。隨著SLM技術(shù)的不斷發(fā)展，如提高分辨率、降低功耗、提高響應(yīng)速度等，它將為可編程量子模擬器的發(fā)展提供更強(qiáng)大的支持，有助于推動(dòng)量子計(jì)算和量子信息處理等領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。

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