分束角度精准、对输入容差不敏感、图案设计灵活、高激光耐受性、紧凑坚固Holoor量子分束器

本文聚焦于Holo/Or量子衍射分束器，深入解析其工作原理、技术优势及在多种量子计算平台中的具体应用。该分束器凭借其分束角度精准、对输入容差不敏感、设计灵活、结构紧凑坚固、高激光耐受性以及作为无源器件的稳定性等一系列优点，已成为中性原子计算、离子阱系统和固态量子比特阵列等前沿量子技术中的关键光学元件。

量子计算正迅速成为当今时代最具变革性的技术之一，有望在密码学、材料科学和药物设计等领域实现重大突破。在多数量子平台中，一个持续存在的挑战是如何高效、可靠且高精度地扩展量子比特的光学控制。针对这一扩展瓶颈的解决方案日益依赖衍射光学技术。

其中，衍射分束器——在量子应用中亦称为量子分束器——正成为将激光均匀分布到大型量子比特阵列中不可或缺的工具。本文将深入探讨量子光学分束器工作原理、技术优势，以及在不同量子计算平台中的具体应用。

Holoor透射式衍射光栅在量子计算中的优势

与体光学元件或传统分束器相比，Holoor透射式衍射光栅为量子研究人员提供了显著优势：

- 近乎绝对的角度精度：出射光束的角度由设计决定，不受微小的对准误差或制造公差影响。

- 对输入容差不敏感：光斑位置和功率比例不依赖于光束居中、光束尺寸或微小倾斜。

- 图案设计灵活：可设计衍射分束器以生成几乎任何构型的光点阵列。

- 紧凑坚固的外形：扁平、单片的熔融石英衍射光学元件非常适合真空和低温环境。

- 高激光耐受性：能够承受用于量子比特控制的窄线宽、高功率激光，同时保持稳定性，热效应对性能的影响可忽略不计。

- 作为无源器件：确保无振动、长期的再现性，并减少量子系统内的电子元件和热源。

在接下来的章节中，我们将回顾量子分束器衍射光学元件在几种常见量子计算架构中的应用。

背景：什么是量子分束器？

量子分束器是一种衍射光学元件（DOE），其功能是将一束相干激光分割成具有精确角度分离的多束出射光。这类器件通常是以熔融石英为基底制作的透射式衍射光栅。当通过光学系统聚焦后，这些按特定角度分离的光束会形成适用于囚禁或激发量子比特的光点阵列。

根据设计需求，Holoor透射式衍射光栅可生成：任意间距的一维或二维光点阵列（包括线阵、矩形阵列或六边形点阵）、为量子比特阵列定制的特殊几何构型（例如具有间隔的激光点阵）

蚀刻熔融石英衍射光学元件在量子应用中具有特殊价值：其具备极佳的环境稳定性，可承受频繁的低温温度骤变，并能适配量子比特控制中常用的高功率窄线宽激光器。这种耐久性确保了在苛刻实验环境中性能的持续稳定。

量子分束器在离子阱系统中的应用

离子阱量子计算机将量子比特存储在电磁陷阱中的离子链中。激光束用于这些量子比特的初始化、控制和读取。此类系统的一个主要要求是沿离子链的激光强度均匀分布，因为照射强度的差异会引入误差。

在这里，衍射光束整形器——与衍射分束器技术同源——提供了一个优雅的解决方案。通过将高斯光束转换为平顶光束，它们确保了陷阱中所有离子受到均匀的激发。

在更大的激光系统中，多光点衍射分束元件还可以将多束激光同时投射到不同的离子链上，从而提升处理通量。通过结合光束分束和光束整形功能，光学设计同时实现了覆盖范围和均匀性，直接提高了量子门的保真度。

用于固态量子比特阵列的量子分束器

固态平台（包括金刚石色心和半导体量子点）需要并行光学访问嵌入基底的多个量子比特。传统方法通常依赖单一激光束在各位点间扫描，效率低下且速度缓慢。

相比之下，衍射式量子分束器可以一次性投射大型激光束阵列，并行地寻址或激发所有量子比特。对于读取操作，此类分束器还可对探测光束进行多路复用，从而大幅缩短操作大型量子比特阵列所需的时间。

由于这些系统通常需要高功率、窄波长激光与固态量子比特相互作用，由熔融石英制造的衍射光学分束器再次展现出其核心优势：高激光损伤阈值、长期稳定性以及与低温样品环境的兼容性。

量子分束器在中性原子计算中的应用

在中性原子量子计算机中，单个原子被囚禁在光镊之中——这是一种通过紧密聚焦激光束产生的微观陷阱。要扩展这类系统，必须稳定地生成数百个这样的陷阱，并确保其间距完全精确。

衍射分束器在此应用中表现出色。利用单个衍射光学元件（DOE），一束输入激光可被转换为包含数十乃至数百条光束的二维阵列。衍射光学元件的角度精度确保了陷阱位置的可重现性可达亚微米级，且不受系统轻微漂移的影响。

这些多光点阵列使研究人员能够构建可扩展、可重构的原子寄存器。结合其他光学元件，此类光晶格甚至可以进行动态重排，以优化量子比特间的连接性——这一切都植根于量子分束器所提供的精确光场分布。

结论

基于熔融石英蚀刻衍射光学技术的量子分束器，正在彻底变革量子计算系统中的激光传递方式。无论在中性原子光镊阵列、离子阱平台还是固态量子比特系统中，这些衍射光学元件都能实现可扩展、稳健且可重复的量子比特控制。其精度、耐久性和设计灵活性的结合，使它们成为构建实用化大型量子机器的关键光学组件。