衍射分束器理论知识与在量子技术中的应用 以色列Holo/Or

本文介绍了激光分束器在量子技术中的应用，以及目前在量子技术的优势需求和限制，还介绍了衍射分束器的工作理论原理

量子技术是计算机与通信产业中一个日益受到关注的新兴领域，拥有许多令人兴奋的商业可能性。然而，量子技术在商业化过程中面临诸多挑战，其中主要挑战之一是如何将量子系统扩展到实用规模。Holo/or公司的衍射分束器在扩大光学量子计算系统规模的努力中日益得到应用。衍射光束分束器在量子应用方面的用途广泛，从产生用于捕获原子的亮斑阵列，到波导量子计算机芯片发出的信号复用，再到量子点阵列的同时激发。在本文中，我们回顾了衍射光束分束器的工作原理、激光分束器在量子技术中的优势以及一些使用衍射光束分束器的典型量子光学应用。

光束分束器在量子技术中的应用

衍射光束分束器在激光量子技术中有着广泛的应用，这些应用如下。

产生光学陷阱阵列，即光学镊子阵列。在某些量子计算方法中，量子比特是被隔离的超冷原子，必须使用激光镊子（即聚焦激光点产生的光学力）小心翼翼地固定在位。为了生成具有精确间距的大规模原子阵列，以实现受控相互作用，常会采用多点二维光束分束DOE（衍射光学元件）。

使用衍射分束器并行读出多个固态量子比特。在利用固态色心自旋量子比特的方法中，通常通过光学探测磁共振(ODMR)来对量子比特状态进行采样，这需要使用紧密的激光斑点激发量子比特。采用二维衍射光束分束器矩阵，可以在不改变其他量子比特状态的情况下，对大阵列中的多个量子比特进行选择性采样。

平面光波技术在量子计算领域展示出巨大潜力。该技术利用平面波导中的微弱耦合模态来编码量子位，并借助光的耦合——即向波导内注入光以及从波导中提取计算结果——来执行计算过程。其中，采用激光分束器尤为重要，它能够通过空气隙界面，在不同芯片上的波导之间选择性地传输特定模态，从而促进信息的有效处理与传递。

衍射光束分束器理论

衍射光束分束器是扁平的、透射式的光学元件，能够将入射的激光束按照预设的功率比和分离角度分成多束。最简单且最广为人知的衍射分束器类型是二元光栅，它将光线主要导向两个方向，作为衍射光栅的二维版本，激光分束器会产生具有相等间距和均匀强度的2D光斑阵列。它们通过在表面具有周期性结构来实现这一点，这些结构会对穿过DOE不同区域的激光产生相位延迟。这会产生一个相位分布，导致衍射成多个阶，每个阶次都有自己的角度。如果通过透镜聚焦，则每个阶次相对于其他阶次在固定间隔处生成一个光斑。

在量子应用中使用衍射光束分束器的需求与限制

衍射光束分束器是稳健的元件，对定位公差、小倾斜（最大5度）或输入光束尺寸不敏感。然而，在量子激光应用中集成衍射光束分束器确实需要考虑几个方面。

窄带宽-与所有DOE（衍射光学元件）一样，分束DOE是针对特定波长设计的，并且仅在此波长±2%的波段内才符合规格操作。

总结

衍射光束分束器是扁平、薄型的光学元件，能够从输入的激光束生成一系列输出光束，具有精确的分离距离和预先设计的功率比。这些衍射光学元件在量子技术的各种应用中极为有用。激光分束器在量子应用中的例子包括产生光学陷阱阵列、同时激发多个量子点量子比特，以及对来自波导式量子计算机的信号进行多路复用。

什么是衍射光束分束器？

衍射光束分束器，也称为多光点元件，是一种衍射光学元件，能够将入射的激光束分裂成具有相同特性的输出光束阵列，并且每个输出光束携带一定比例的输入光束功率。

如何在量子应用中使用衍射分束器光学元件？

衍射分束器在量子应用中的用途广泛且多样，涵盖了多种量子计算方法，从超冷原子阵列的俘获，到固态量子比特，当然还包括基于光波导的量子计算。

在量子应用中使用衍射光束分束器有哪些要求？

主要要求是光源带宽狭窄（如大多数激光所具有的），以及如果需要高数值孔径（物镜）时，使用场校正聚焦光学元件。