集成光电子引擎在原子控制中的应用进展

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引言
' i8 p6 S' ~. W4 k1 M6 q  R2 ^光学控制在原子系统中具有基础性作用，对量子计算、量子模拟和量子传感应用具有重要意义。本文介绍新型集成光电子技术的突破性进展，通过可扩展和可编程的架构实现了对原子系统的精确控制[1]。

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集成光电子控制概述
量子系统的控制需要在频率、时间和空间多个维度上精确操控光。传统的声光调制器等体块光学元件虽然在早期验证中表现良好，但在扩展到实用量子计算机所需的大量控制通道时存在局限性。微型化集成光电子线路提供了解决方案，可在保持可扩展性的同时实现更优异的性能。

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) T6 I0 K0 ^, m) u( |9 Y- G8 C图1：多通道光学寻址原子系统的示意图，展示了独立控制的光束如何与原子系统相互作用以及相应的光谱控制能力。

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7 p# X/ c, k, h0 @9 L架构与实现
该系统的核心基于薄膜铌酸锂(TFLN)，这种材料结合了优异的光学特性和半导体制造工艺的兼容性。实现的架构包含集成在单个芯片上的16个马赫-曾德尔干涉仪(MZI)，每个都能在可见光波长下独立调制光。
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图2：完整架构概述，显示了光学设置、分光机制以及调制器性能指标，包括带宽测量和电压响应特性。
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系统包含以下几个关键创新：
集成调制器：MZI采用3毫米长的推挽式相移器设计，实现了与标准CMOS电子器件兼容的开关电压(约2.2V)，同时保持超过20dB的高消光比。光学分光：液晶硅空间光调制器有效地将光功率同时分配到多个通道，避免了片上功率分配通常带来的损耗。光束整形：第二个液晶硅调制器实现输出光束模式的动态重构，适应各种量子系统几何结构。[/ol]
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稳定性与控制
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图3：零点漂移稳定系统的演示，显示了反馈算法的运行和脉冲稳定性测量结果。
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系统实现了基于相机监测的创新闭环反馈机制，以维持每个通道的稳定运行。反馈系统在多个电压点监测每个通道的传输，并持续调整运行参数以保持最佳性能。这使得脉冲功率偏差保持在1%以下，对量子控制应用极为重要。
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动态模式生成
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图4：光束转向能力演示，显示了在方形、六边形和三角形阵列等不同光学模式之间的转换。
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系统通过对光束成形光学器件的复杂控制，可以创建各种光束的空间配置。光束转向能力配合先进的算法优化每个通道的全息图案，实现对输出光束空间和强度分布的精确控制。
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( m! U$ u1 S7 C1 L& z( r/ @, m硅空位中心的实际应用

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9 @( c( e/ n( M" \& N5 A# [0 @图5：硅空位中心的综合表征，显示光谱分布、空间映射和单个寻址能力的演示。

7 Y8 r2 ?/ X# p6 c+ a" P研究人员通过控制金刚石中的硅空位(SiV)色心展示了系统的实际应用能力。演示包括：
数百个单个SiV中心的光谱表征选定发射体的单个寻址亚微秒时序的复杂脉冲序列实现高精度的多发射体同步控制
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技术展望
) ^1 g' f7 t+ Q8 M4 u/ Q% o1 r这种架构在可扩展量子控制系统方面取得了重大进展。高速运行、精确控制和可重构性的结合使其特别适合各种量子应用。未来发展方向包括增加通道数量、通过优化设计提高效率以及与更复杂控制电子器件的集成。

- ]5 Q9 ~& O+ Z4 H该技术的潜在应用范围还包括：
大脑成像和光遗传学高速光学测距增强现实显示天文自适应光学
; q# L8 }! H# S/ D% E4 q+ {这种集成光电子方法展示了如何利用半导体制造技术创造用于量子技术的复杂工具，加速实用量子计算机和模拟器的发展。
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6 T' L' o, E" z参考文献
5 j, q) i2 o9 o3 H3 j[1] I. Christen et al., "An integrated photonic engine for programmable atomic control," Nature Communications, vol. 16, no. 82, pp. 1-15, Jan. 2025, doi: 10.1038/s41467-024-55423-3.
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