空間光調制器（SLM）在中性原子量子計算中的應用

一、引言

量子計算利用量子疊加、糾纏與干涉特性，在特定問題上具備超越經典計算機的算力優勢。當前主流技術路線包括超導、離子阱、中性原子、光量子等，其中中性原子系統近年實現突破性進展。中性原子量子比特天然全同、室溫長相干（秒級）、無布線約束、可動態排布二維/三維陣列，契合大規模量子計算對高保真度、高擴展性、低串擾的核心需求。

圖 1： 中性原子量子計算系統

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）

• 能級簡單、冷卻 / 操控技術成熟、成本低。

• 超精細基態相干時間秒級，適合長時量子存儲。

  
  

2.1.2 銫 - 133（133Cs，大陣列第1選擇）

• 基態超精細分裂大、相干時間更長（可達 10 秒）、磁場敏感性低。

• 已實現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、相干時間極長（>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，可編碼長相干核自旋比特，抗環境干擾強。

• 能級結構豐富，支持多比特編碼方案。

2.2 核心操控波長體系

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

2.3 里德堡阻塞：糾纏門的核心機制

里德堡態原子擁有超大電偶極矩，當相鄰原子間距小于 10 um時，會產生強的長程排斥相互作用。若其中一個原子被激光激發至里德堡態，鄰近原子將無法完成激發，該物理現象被稱為里德堡阻塞，也是中性原子實現兩比特糾纏邏輯門的核心原理。

基于里德堡阻塞效應可構建高保真度 CZ 糾纏門，操作流程如下：第1，向控制比特施加π脈沖，將其激發至里德堡態；第2，向目標比特施加2π脈沖，受阻塞效應影響，目標比特無法被激發并產生條件相位；第三，再次對控制比特施加π脈沖，使其回歸基態，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，整體流程為：冷原子制備→陣列構建→態初始化→門操控→算法運行→量子態讀出。所有環節均在超高真空環境（真空度優于 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

系統依靠超高真空腔隔絕空氣分子，避免原子碰撞引發退相干。通過加熱固態金屬銣、銫等材料產生低壓原子蒸氣，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，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，通過空間光調制器（SLM）或聲光偏轉器（AOD）對激光分束，生成數十至上千個獨立光偶極阱。冷原子隨機落入光阱格點，初始填充率約 50%；再通過動態移動光阱搬運原子，zui終構建填充率大于 99% 的無缺陷二維 / 三維原子陣列，原子間距可在 5~10 μm 范圍內動態調節。每個格點內的單個原子即為一枚量子比特。

圖4使用空間光調制器（SLM）生成的光鑷點陣

上海昊量光電設備有限公司獨代美國Meadowlark Optics公司的純相位模擬尋址空間光調制器，該產品具有以下特點，非常契合中性原子量子計算的應用。

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

圖5 空間光調制器反射率曲線

3)    高響應速度: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。Meadowlark Optics公司UHSPDM1K系列SLM，可以實現KHz量級的高速調制。

圖6液晶空間光調制器響應速度

4）高相位調制穩定性：SLM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，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。Meadowlark Optics公司的SLM相位穩定性可以達到0.06% RMS（or 0.0012π）。

圖7 數字尋址與模擬尋址工作原理對比圖

圖8 SLM相位穩定性測試結果

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

圖8 SLM相位調制與入射光功率示意圖

3.3 量子態初始化

中性原子以基態超精細能級編碼量子比特，定義\(|0\rangle\)、\(|1\rangle\)兩個本征態；中性原子多采用核自旋態或亞穩態完成編碼。利用特定波長激光進行光泵浦，將所有原子統一制備至初始態\(|0\rangle\)，初始化保真度高于 99.9%。

3.4 量子門操控（計算核心）

3.4.1 單比特門

采用微波脈沖或拉曼激光實現單比特任意旋轉，可完成 X、Y、Hadamard 等基礎邏輯操作，單比特門保真度可達 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實現 CZ 糾纏門，可實現任意兩個量子比特的相互作用，兩比特門保真度高于 99%。

3.5 量子算法執行

根據目標量子算法，按照時序串行或并行施加激光、微波脈沖序列。運行過程中實時完成磁場補償、激光功率與頻率穩定，抑制環境噪聲帶來的退相干問題。該系統相干時間可達 1~100 s，能夠支撐大深度量子電路運行。

3.6 量子態讀出（測量）

使用與冷卻光同頻率的探測激光照射原子陣列：處于基態\(|0\rangle\)的原子會產生強熒光，在成像設備中呈現亮點；處于激發態\(|1\rangle\)的原子無熒光信號，呈現暗點。借助高分辨率 ccd 相機并行采集整幅圖像，一次性完成所有量子比特的狀態讀取，讀出保真度大于 99.5%。

四、總結

中性原子量子計算憑借長相干時間、室溫運行、可大規模擴展等優勢，成為當前具有發展潛力的量子計算技術路線。該方案依托激光冷卻、光鑷囚jin與里德堡相互作用實現量子比特制備與邏輯操控，而 液晶空間光調制器（SLM）作為核心光學器件，能夠將單束激光分束整形，高效生成數量龐大、排布靈活的二維 / 三維光鑷陣列，完成上千個中性原子的精準捕獲與空間排布。SLM 不僅大幅提升了量子比特陣列的規模與規整度，還支持原子格點動態重構，是實現中性原子系統高擴展性、可編程性的關鍵硬件，為該技術走向規模化通用量子計算筑牢了光學基礎。

參考文獻

1) https : / /journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/2ym8-vs82

2) Browaeys, A. & Lahaye, T. Many-body physics with individually controlLEDRydberg atoms. Nat. Phys. 16, 132–142 (2020).

3) Ma, S. et al. Universal gate operations on nuclear spin qubits in an optical tweezer array of 171Yb atoms. Phys. Rev. X 12, 021028 (2022).

4) Finkelstein, R. et al. Universal quantum operations and ancilla-based read-out for tweezer clocks. Nature 634, 321–327 (2024).

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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