空間光調(diào)制器（SLM）在中性原子量子計(jì)算中的應(yīng)用

一、引言

量子計(jì)算利用量子疊加、糾纏與干涉特性，在特定問題上具備超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的算力優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前主流技術(shù)路線包括超導(dǎo)、離子阱、中性原子、光量子等，其中中性原子系統(tǒng)近年實(shí)現(xiàn)突破性進(jìn)展。中性原子量子比特天然全同、室溫長(zhǎng)相干（秒級(jí)）、無布線約束、可動(dòng)態(tài)排布二維/三維陣列，契合大規(guī)模量子計(jì)算對(duì)高保真度、高擴(kuò)展性、低串?dāng)_的核心需求。

圖 1： 中性原子量子計(jì)算系統(tǒng)

二、中性原子體系與核心原理

2.1 主流原子選擇

2.1.1銣 - 87（??Rb，zui主流）

• 能級(jí)簡(jiǎn)單、冷卻 / 操控技術(shù)成熟、成本低。

• 超精細(xì)基態(tài)相干時(shí)間秒級(jí)，適合長(zhǎng)時(shí)量子存儲(chǔ)。

  
  

2.1.2 銫 - 133（133Cs，大陣列第1選擇）

• 基態(tài)超精細(xì)分裂大、相干時(shí)間更長(zhǎng)（可達(dá) 10 秒）、磁場(chǎng)敏感性低。

• 已實(shí)現(xiàn)6100 原子超大陣列。

2.1.3 鍶 - 88（??Sr，新一代高相干）

• 堿土金屬，核自旋為 0、相干時(shí)間極長(zhǎng)（>10 秒）、光躍遷線寬窄。

• 適合高保真度門與量子模擬（planqc）。

  
  

2.1.4 鐿 - 171（1?1Yb，核自旋量子比特）

• 核自旋 I=1/2，可編碼長(zhǎng)相干核自旋比特，抗環(huán)境干擾強(qiáng)。

• 能級(jí)結(jié)構(gòu)豐富，支持多比特編碼方案。

2.2 核心操控波長(zhǎng)體系

中性原子量子計(jì)算依靠多波段激光協(xié)同工作，按照功能可劃分為四大類：冷卻與光泵浦波長(zhǎng)、光鑷囚jin波長(zhǎng)、里德堡激發(fā)波長(zhǎng)、單比特操控波長(zhǎng)。不同波段激光分工明確，共同構(gòu)成整套原子操控光學(xué)系統(tǒng)。

2.3 里德堡阻塞：糾纏門的核心機(jī)制

里德堡態(tài)原子擁有超大電偶極矩，當(dāng)相鄰原子間距小于 10 um時(shí)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)的長(zhǎng)程排斥相互作用。若其中一個(gè)原子被激光激發(fā)至里德堡態(tài)，鄰近原子將無法完成激發(fā)，該物理現(xiàn)象被稱為里德堡阻塞，也是中性原子實(shí)現(xiàn)兩比特糾纏邏輯門的核心原理。

基于里德堡阻塞效應(yīng)可構(gòu)建高保真度 CZ 糾纏門，操作流程如下：第1，向控制比特施加π脈沖，將其激發(fā)至里德堡態(tài)；第2，向目標(biāo)比特施加2π脈沖，受阻塞效應(yīng)影響，目標(biāo)比特?zé)o法被激發(fā)并產(chǎn)生條件相位；第三，再次對(duì)控制比特施加π脈沖，使其回歸基態(tài)，zui終完成量子糾纏。

圖 2 里德堡阻塞

三、中性原子量子處理器完整工作流程

中性原子量子處理器采用流水線式工作架構(gòu)，整體流程為：冷原子制備→陣列構(gòu)建→態(tài)初始化→門操控→算法運(yùn)行→量子態(tài)讀出。所有環(huán)節(jié)均在超高真空環(huán)境（真空度優(yōu)于 10﹣11 Torr）下完成，各步驟緊密銜接。

圖 3 中性原子量子處理器整體工作流程圖

3.1 真空與冷原子源制備

系統(tǒng)依靠超高真空腔隔絕空氣分子，避免原子碰撞引發(fā)退相干。通過加熱固態(tài)金屬銣、銫等材料產(chǎn)生低壓原子蒸氣，再利用磁光阱（MOT）完成冷卻：三維交叉冷卻激光配合梯度磁場(chǎng)，將室溫原子不斷減速，最終降溫至50~100uK，形成高密度超冷原子云。

 3.2 光鑷陣列制備（量子比特排布）

采用 1064 nm/852nm/780/461nm 激光作為光鑷光源，通過空間光調(diào)制器（SLM）或聲光偏轉(zhuǎn)器（AOD）對(duì)激光分束，生成數(shù)十至上千個(gè)獨(dú)立光偶極阱。冷原子隨機(jī)落入光阱格點(diǎn)，初始填充率約 50%；再通過動(dòng)態(tài)移動(dòng)光阱搬運(yùn)原子，zui終構(gòu)建填充率大于 99% 的無缺陷二維 / 三維原子陣列，原子間距可在 5~10 μm 范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。每個(gè)格點(diǎn)內(nèi)的單個(gè)原子即為一枚量子比特。

圖4使用空間光調(diào)制器（SLM）生成的光鑷點(diǎn)陣

上海昊量光電設(shè)備有限公司獨(dú)代美國(guó)Meadowlark Optics公司的純相位模擬尋址空間光調(diào)制器，該產(chǎn)品具有以下特點(diǎn)，非常契合中性原子量子計(jì)算的應(yīng)用。

1)高相位調(diào)制精度：美國(guó)Meadowlark Optics公司的UHSPDM1K系列和S19x12系列空間光調(diào)制器可配置10bits/12bits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SLM可以生成幾百百~上千的光鑷點(diǎn)陣，因此，高衍射效率的空間光調(diào)制器可以在同等入射光功率下產(chǎn)生更多可用的光阱。上海昊量光電設(shè)備有限公司提供的鍍介電膜SLM，光利用率可達(dá)90-98%。

圖5 空間光調(diào)制器反射率曲線

3)    高響應(yīng)速度: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。Meadowlark Optics公司UHSPDM1K系列SLM，可以實(shí)現(xiàn)KHz量級(jí)的高速調(diào)制。

圖6液晶空間光調(diào)制器響應(yīng)速度

4）高相位調(diào)制穩(wěn)定性：SLM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，中間電平（時(shí)序電壓平均）通過時(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。Meadowlark Optics公司的SLM相位穩(wěn)定性可以達(dá)到0.06% RMS（or 0.0012π）。

圖7 數(shù)字尋址與模擬尋址工作原理對(duì)比圖

圖8 SLM相位穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

5）高損傷閾值：上海昊量光電設(shè)備有限公司銷售的空間光調(diào)制器（SLM），對(duì)于連續(xù)激光，zui高可承受1400W的激光功率。

圖8 SLM相位調(diào)制與入射光功率示意圖

3.3 量子態(tài)初始化

中性原子以基態(tài)超精細(xì)能級(jí)編碼量子比特，定義\(|0\rangle\)、\(|1\rangle\)兩個(gè)本征態(tài)；中性原子多采用核自旋態(tài)或亞穩(wěn)態(tài)完成編碼。利用特定波長(zhǎng)激光進(jìn)行光泵浦，將所有原子統(tǒng)一制備至初始態(tài)\(|0\rangle\)，初始化保真度高于 99.9%。

3.4 量子門操控（計(jì)算核心）

3.4.1 單比特門

采用微波脈沖或拉曼激光實(shí)現(xiàn)單比特任意旋轉(zhuǎn)，可完成 X、Y、Hadamard 等基礎(chǔ)邏輯操作，單比特門保真度可達(dá) 99.9% 以上，支持全局并行操控。

3.4.2 兩比特糾纏門

依托里德堡阻塞效應(yīng)實(shí)現(xiàn) CZ 糾纏門，可實(shí)現(xiàn)任意兩個(gè)量子比特的相互作用，兩比特門保真度高于 99%。

3.5 量子算法執(zhí)行

根據(jù)目標(biāo)量子算法，按照時(shí)序串行或并行施加激光、微波脈沖序列。運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)完成磁場(chǎng)補(bǔ)償、激光功率與頻率穩(wěn)定，抑制環(huán)境噪聲帶來的退相干問題。該系統(tǒng)相干時(shí)間可達(dá) 1~100 s，能夠支撐大深度量子電路運(yùn)行。

3.6 量子態(tài)讀出（測(cè)量）

使用與冷卻光同頻率的探測(cè)激光照射原子陣列：處于基態(tài)\(|0\rangle\)的原子會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)熒光，在成像設(shè)備中呈現(xiàn)亮點(diǎn)；處于激發(fā)態(tài)\(|1\rangle\)的原子無熒光信號(hào)，呈現(xiàn)暗點(diǎn)。借助高分辨率 ccd 相機(jī)并行采集整幅圖像，一次性完成所有量子比特的狀態(tài)讀取，讀出保真度大于 99.5%。

四、總結(jié)

中性原子量子計(jì)算憑借長(zhǎng)相干時(shí)間、室溫運(yùn)行、可大規(guī)模擴(kuò)展等優(yōu)勢(shì)，成為當(dāng)前具有發(fā)展?jié)摿Φ牧孔佑?jì)算技術(shù)路線。該方案依托激光冷卻、光鑷囚jin與里德堡相互作用實(shí)現(xiàn)量子比特制備與邏輯操控，而 液晶空間光調(diào)制器（SLM）作為核心光學(xué)器件，能夠?qū)问す夥质危咝蓴?shù)量龐大、排布靈活的二維 / 三維光鑷陣列，完成上千個(gè)中性原子的精準(zhǔn)捕獲與空間排布。SLM 不僅大幅提升了量子比特陣列的規(guī)模與規(guī)整度，還支持原子格點(diǎn)動(dòng)態(tài)重構(gòu)，是實(shí)現(xiàn)中性原子系統(tǒng)高擴(kuò)展性、可編程性的關(guān)鍵硬件，為該技術(shù)走向規(guī)模化通用量子計(jì)算筑牢了光學(xué)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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5) A tweezer array with 6,100 highly coherent atomic qubits

Pause, L. et al. Supercharged two-dimensional tweezer array with more than 1000 atomic qubits. Optica 11, 222–226 (2024).

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