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空间光调制器（SLM）在大规模可编程量子模拟器中的应用

摘要：近年来，量子计算的快速发展正在为人类揭示复杂量子系统的物理规律提供前所未有的工具。可编程量子模拟器作为量子计算领域的重要成果，为探索量子现象和解决复杂问题提供了新的途径。空间光调制器（Spatial light modulator, SLM）凭借其动态调控光场相位、振幅和偏振的能力，逐渐成为量子模拟器中的核心元件。SLM 主要用于对量子比特进行操控和编码，

为光镊阵列、冷原子操控以及光子量子态调控提供了前所未有的灵活性。

什么是大规模可编程量子模拟器？

大规模可编程量子模拟器是一种利用量子系统的特性，通过可灵活编程的方式来模拟其他复杂量子系统行为的设备或系统。可编程量子模拟器具有以下特性：1）量子特性模拟：量子模拟器基于量子力学原理构建，旨在模拟量子系统的行为。量子系统具有一些独特的性质，如量子叠加和量子纠缠。在经典计算机中很难直接对这些特性进行精确模拟，而量子模拟器可以利用类似的量子物理现象来构建模型。2）可编程性：这意味着用户可以对其进行编程操作。就像在经典计算机上编写程序来实现不同功能一样，在量子模拟器上，研究人员可以通过编写特定的指令来设定模拟的量子系统的初始状态、相互作用等参数。

哈佛大学Mikhail D. Lukin团队展示的大规模可编程量子模拟器支持多达256个量子比特，这些量子比特以二维阵列形式精准排列。该团队光路中的核心器件空间光调制器可用于产生数百或者数千个独立可控的光镊光束。该阵列可用于捕获中性原子，可将原子组装成二维光镊阵列，将可运行量子比特数量从51个增加到256个，还能将原子排列成无缺陷图案，创建可编程形状（如正方形、三角形晶格等）来设计不同量子比特之间的相互作用。

图1 使用空间光调制器（SLM）生成的点阵

图2 Mikhail D. Lukin团队使用的光路图

什么是空间光调制器？

空间光调制器（Spatial Light Modulator，SLM）是一种基于液晶的双折射原理，对光波的相位和振幅进行调制的设备。液晶分子的排列可由外部电场控制，改变施加在液晶单元上的电压，分子排列改变，进而影响液晶层光学性质，实现对光波相位或振幅的调制。对于向列型液晶，液晶分子长轴方向折射率与短轴不同，电压改变分子排列方向，使通过液晶层的光波相位因折射率变化而改变。

图3 液晶空间光调制器的工作原理图

图4 常见的液晶空间光调制器示意图

可编程量子模拟器对空间光调制器的要求是什么？

1）高相位调制精度

量子系统对相位的变化非常敏感，微小的相位误差都可能导致模拟结果出现较大偏差。目前市面上成熟的空间光调制器产品（例如美国Meadowlark Optics公司的UHSPDM1K系列）可配置10bits的控制器，在0-2pi相位调制范围内，可实现λ/1024的相位分辨率/相位调制精度。

2）高衍射效率

上文提到用户使用SLM生成成百上千的点阵，因此，高衍射效率的空间光调制器可以使更多的光能量按照需要的方式进行调制和传播，提高光的利用率，增强光场与量子系统的相互作用效率，从而提升量子模拟的效果和信号强度，有利于后续的测量和分析。

3）高响应速度

量子系统的演化过程通常非常迅速，为了能够实时跟踪和控制量子系统的演化，空间光调制器需要具备快速的响应速度，能够在短时间内完成对光场的调制。例如在模拟量子比特的快速翻转或量子纠缠的快速建立等过程中，只有空间光调制器快速响应，才能及时调整光场，实现对量子系统的有效控制，从而保证模拟的准确性和稳定性。目前市面上纯相位空间光调制器可实现的z快响应速度大概在500-2000Hz@500-1200nm波段（Meadowlark Optics公司UHSPDM1K系列SLM），可以很好的满足可编程量子模拟器对于SLM高速的要求。

图5 液晶空间光调制器响应速度测试图

4）高相位调制稳定性

由SLM产生的衍射图案是每个单独像素传递给光的相位延迟的函数对于稳定的衍射图案，每个像素的相位延迟也必须是稳定的。在LCoS SLM中，相位延迟是每个像素以上的液晶方向的结果。这个液晶取向是由横跨液晶层的电场，由像素上的电压设定。

驱动LCoS有两种方式：数字寻寻址和模拟寻找。数字背板设置为GND或Vmax，然后为中间电平（时序电压平均）通过时间顺序变化（脉冲宽度调制或PWM）实现。模拟背板可设置为从GND到Vmax的任何电压。因此，模拟寻址的方式可大大提高SLM的相位调制稳定性。

图6 数字寻址与模拟寻址工作原理对比图

图7 SLM相位稳定性示意图

总结：

空间光调制器（SLM）凭借其对光波（相位&振幅）的精确调制能力，在可编程量子模拟器中具有广泛的应用前景。从量子态制备到量子门操作模拟，再到纠缠态操控和光路控制，SLM都发挥着不可或缺的作用。随着SLM技术的不断发展，如提高分辨率、降低功耗、提高响应速度等，它将为可编程量子模拟器的发展提供更强大的支持，有助于推动量子计算和量子信息处理等领域的进一步发展。

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