空间光调制器的复振幅域梯度流全息图生成方法与流程

本技术涉及量子计算，更为具体地说，涉及一种空间光调制器的复振幅域梯度流全息图生成方法，电子设备和计算机可读存储介质。

背景技术：

1、中性原子（如或）量子计算是当前最具潜力的量子计算路线之一，其核心优势在于：同种原子具有天然的一致性（无制造公差和参数分散），超精细基态相干时间极长（可达10秒级别，远超典型量子门的操作时间），且允许通过物理移动原子比特来实现两个比特间的高保真度的全连接双比特门。

2、该技术将单个冷原子用光镊捕获，通过rydberg激发实现量子纠缠门。通常，利用空间光调制器（slm）实现大规模可编程光镊阵列，其通过液晶面板上的各个液晶像素对入射激光进行相位调制，经透镜傅里叶变换后，在焦平面形成光镊阵列，从而将单个冷原子由光镊阵列固定在各个光阱中。

3、在将冷原子装载进光镊阵列构成的光阱的过程中，受限于原子数密度涨落及光致碰撞阻塞机制，导致每个光阱被单个原子占据的概率服从独立的伯努利分布（典型占据率）。这意味着对于例如包含100个物理比特的量子阵列，天然随机装载后形成完全无缺陷的目标阵列的概率极低（约为）。

4、因此，在每一次执行量子计算之前，必须引入原子阵列重排机制，通过相机荧光成像识别当前缺陷态，利用底层控制算法实施运动规划，并高频刷新全息图（即全息相位图）来驱动slm实时改变光阱位置，将散乱的原子物理搬运成指定的无缺陷目标构型。这里，slm（例如包括1024×1024像素）通过对各个液晶像素施加相位延迟，可同时控制多个光阱中捕获的原子实时移动其位置。

5、在进行原子阵列重排路径规划之后，光阱必须沿规划的路径逐帧移动。每移动一帧，slm都需要重新计算一张全息图，且全息图的生成需要使得移动后的光阱阵列仍保持高度均匀（典型要求光强均匀性，否则原子因光致加热而脱阱）与帧间相位连续性（典型要求，否则量子相干性被破坏），且需要实时性ms/帧（即slm刷新率需要为50-200hz）。

6、当前，标准wgs（100次）的时延通常ms，且相位连续性无保证；线性相位插值（lpi）的时延约为1ms，且具有相位连续性，但光强均匀性；卷积神经网络（cnn）一步生成全息图的时延约为0.5ms，但相位连续性无保证，且泛化效果差；稀疏-wpgs（20次）的时延约为4ms，且能够部分保证相位连续性，但仍然不符合以上全息图生成要求。

7、因此，期望提供一种改进的全息图生成方案。

技术实现思路

1、本技术实施例提供了一种空间光调制器的复振幅域梯度流全息图生成方法，通过构建全息图生成的按照纽曼级数分层逼近不动点的框架，可以由增量更新实现第零阶且由wgs修正步实现第一阶以上的串扰修正，从而显著提升了高精度全息图生成的时间效率。

2、根据本技术的一方面，提供了一种空间光调制器的复振幅域梯度流全息图生成方法，包括：获取所述空间光调制器在wgs迭代收敛时的初始像素平面复虚拟场和待重排的原子阵列的原子重排路径规划结果；基于当前帧的像素平面复虚拟场和来自所述原子重排路径规划结果的当前帧的光阱位置更新对进行增量速度一阶增量更新以获得更新后的像素平面复虚拟场；以及，对所述更新后的像素平面复虚拟场进行以纽曼级数的预定阶数为步数的wgs单步算子的计算来进行高阶串扰修正以获得所述空间光调制器的全息图。

3、在上述空间光调制器的复振幅域梯度流全息图生成方法中，获取所述空间光调制器在wgs迭代收敛时的初始像素平面复虚拟场包括：确定wgs迭代收敛时的每个光阱的稳态权重和稳态相位；基于每个光阱的稳态权重、稳态相位和目标振幅得到每个光阱的稳态复权重；以及，基于每个光阱的稳态复权重和空间频率得到所述初始像素平面复虚拟场。

4、在上述空间光调制器的复振幅域梯度流全息图生成方法中，确定wgs迭代收敛时的每个光阱的稳态相位包括：对像素平面稳态复振幅场进行逐像素相位提取以得到所述空间光调制器的像素平面上的出射场；计算所述空间光调制器的像素平面上的出射场经傅里叶透镜聚焦后的焦平面复振幅场；在每个光阱的空间位置坐标采样所述焦平面复振幅场以得到每个光阱的复振幅值；以及，从所述每个光阱的复振幅值提取相位以获得每个光阱的稳态相位。

5、在上述空间光调制器的复振幅域梯度流全息图生成方法中，基于当前帧的像素平面复虚拟场和来自所述原子重排路径规划结果的当前帧的光阱位置更新对进行增量速度一阶增量更新以获得更新后的像素平面复虚拟场包括：基于来自所述原子重排路径规划结果的当前帧的光阱位置更新对确定每个光阱的当前帧的空间频率坐标和下一帧的空间频率坐标；以及，对于每个光阱，将所述当前帧的像素平面复虚拟场减去所述光阱基于当前帧的频率的平面波载波并加上所述光阱基于下一帧的频率的平面波载波以获得更新后的像素平面复虚拟场。

6、在上述空间光调制器的复振幅域梯度流全息图生成方法中，在执行增量速度一阶增量更新之前可以进一步包括：基于每个光阱的复权重和来自所述原子重排路径规划结果的当前帧的光阱位置更新对定义所述增量速度一阶增量更新；以及，确定所述增量速度一阶增量更新代数恒等于纽曼级数的第零阶截断。

7、在上述空间光调制器的复振幅域梯度流全息图生成方法中，确定所述增量速度一阶增量更新代数恒等于纽曼级数的第零阶截断包括：将wgs单步算子对每个光阱的位置求偏导并给出纽曼级数的第零阶截断表示。

8、在上述空间光调制器的复振幅域梯度流全息图生成方法中，对所述更新后的像素平面复虚拟场进行以纽曼级数的预定阶数为步数的wgs单步算子的计算来进行高阶串扰修正以获得所述空间光调制器的全息图包括：基于像素平面稳态复振幅场的变化率与纽曼级数的逐项可累计结构表示的等价关系确定串扰修正的预定阶数；在基于所述预定阶数的单步修正中，对所述更新后的像素平面复虚拟场进行相位提取以获得修正前的相位图，并对所述修正前的相位图进行基于傅里叶变换的前向衍射以获得焦平面复振幅场；以及，在所述单步修正中，对所述焦平面复振幅场进行振幅强制以获得振幅强制的焦平面复振幅场，并对所述振幅强制的焦平面复振幅场进行基于傅里叶逆变换的反向衍射以获得作为修正后的相位图的所述全息图。

9、在上述空间光调制器的复振幅域梯度流全息图生成方法中，基于像素平面稳态复振幅场的变化率与纽曼级数的逐项可累计结构表示的等价关系确定串扰修正的阶数包括：将所述wgs单步算子的不动点条件表示为隐函数；通过将所述隐函数关于光阱位置集合求全微分来计算所述隐函数的时间导数的隐函数响应以得到所述像素平面稳态复振幅场对光阱运动的变化率；以及，将所述像素平面稳态复振幅场对光阱运动的变化率展开为纽曼级数以获得所述像素平面稳态复振幅场的变化率与纽曼级数的逐项可累计结构表示的等价关系。

10、在上述空间光调制器的复振幅域梯度流全息图生成方法中，所述像素平面稳态复振幅场对光阱运动的变化率表示为多维对角基准单位矩阵与稳态雅可比矩阵的差矩阵的逆矩阵乘以当前帧激励后再乘以光阱运动速度场，其中所述稳态雅可比矩阵是wgs单步算子关于所述像素平面稳态复振幅场的偏导数，且所述当前帧激励是所述wgs单步算子关于光阱位置集合的偏导数。

11、在上述空间光调制器的复振幅域梯度流全息图生成方法中，所述串扰修正的预定阶数是固定阶数。

12、在上述空间光调制器的复振幅域梯度流全息图生成方法中，所述固定阶数是一或者二十。

13、在上述空间光调制器的复振幅域梯度流全息图生成方法中，对所述更新后的像素平面复虚拟场进行以纽曼级数的预定阶数为步数的wgs单步算子的计算来进行高阶串扰修正以获得所述空间光调制器的全息图之后进一步包括：基于泰勒伸展残差、纽曼截断误差、wgs残差和相位投影误差给出帧间步长量级的单帧误差稳定上界。

14、在上述空间光调制器的复振幅域梯度流全息图生成方法中，所述串扰修正的预定阶数是自适应阶数。

15、在上述空间光调制器的复振幅域梯度流全息图生成方法中，确定串扰修正的自适应阶数包括：建立截断误差精确界，并基于所述截断误差精确界和预设的目标精度确定最优截断阶数的解析解；基于截断误差满足残差自停准则来确定自适应关断阈值为目标精度乘以一减去谱半径的保守估计下界的差值；响应于所述纽曼级数的预定阶数增量的模大于所述自适应关断阈值进行级数项递归迭代与自适应累加；以及，响应于所述纽曼级数的预定阶数增量的模小于所述自适应关断阈值和/或迭代次数大于安全最大阶数，确定当前阶数为所述自适应阶数。

16、在上述空间光调制器的复振幅域梯度流全息图生成方法中，对所述更新后的像素平面复虚拟场进行以纽曼级数的预定阶数为步数的wgs单步算子的计算来进行高阶串扰修正以获得所述空间光调制器的全息图之后进一步包括：通过逐光阱地比较每个光阱的焦平面复振幅与目标振幅来确定异常光阱；以及，对所述异常光阱执行额外的wgs单步算子的迭代计算以进行局部再收敛而获得经过奇点检测与修复的全息图。

17、在上述空间光调制器的复振幅域梯度流全息图生成方法中，对所述更新后的像素平面复虚拟场进行以纽曼级数的预定阶数为步数的wgs单步算子的计算来进行高阶串扰修正以获得所述空间光调制器的全息图之后进一步包括：通过将当前帧的每个光阱的权重乘以其目标振幅后除以其复振幅的幅值来获得下一帧的每个光阱的权重；以及，基于所述全息图以及当前帧每个光阱的移动后的位置来计算下一帧的每个光阱的相位，并更新复权重并通过载波重构得到下一帧的像素平面复虚拟场。

18、在上述空间光调制器的复振幅域梯度流全息图生成方法中，对所述更新后的像素平面复虚拟场进行以纽曼级数的预定阶数为步数的wgs单步算子的计算来进行高阶串扰修正以获得所述空间光调制器的全息图之后进一步包括：经过预定帧后，以每个光阱的移动后位置构成的位置集合重新执行wgs单步算子迭代直到收敛，以获得重置到精确不动点的像素平面复虚拟场和每个光阱的权重。

19、根据本技术的另一方面，提供了一种电子设备，包括处理器，所述处理器与存储器耦合，所述处理器用于执行存储器中存储的计算机程序，以使得所述电子设备执行如上所述的空间光调制器的复振幅域梯度流全息图生成方法。

20、根据本技术的再一方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，当所述计算机程序被运行时，实现如上所述的空间光调制器的复振幅域梯度流全息图生成方法。

21、本技术实施例提供的空间光调制器的复振幅域梯度流全息图生成方法，可以通过构建全息图生成的按照纽曼级数分层逼近不动点的框架，来由增量更新实现第零阶且由wgs修正步实现第一阶以上的串扰修正，以显著提升高精度全息图生成的时间效率。