在光子轨道角动量量子比特上模拟通用量子门集:通过空间光调制器相位全息术实现单量子比特与多量子比特操作

空间光调制器(SLM)已成为光子量子信息处理的可重构平台,能够通过软件定义的方式控制编码在拉盖尔-高斯(LG)光束中的光轨道角动量(OAM)。本文针对基于HOLOEYE LC 2012透射式SLM实现的量子门操作,进行了全面的仿真和基于硬件的保真度分析。从制造商数据手册中,无需自由参数拟合,即可获得一个包含8位量化噪声、扭曲向列(TN)电子与热噪声以及相位包裹截断误差的实用三通道噪声模型,总噪声为 σ_total = 92.4 mrad。完整的通用单量子比特门集 {X, Y, Z, S, T, H} 和双量子比特纠缠门 {CNOT, CZ, SWAP} 在 512 × 512 计算网格上进行了仿真。结果表明,预测的门保真度范围为 F = 0.9914–0.9936,其中叉形光栅门主要受TN噪声限制,而相位门由于零相位包裹截断误差,实现了更高的保真度。此外,通过H-CNOT电路制备贝尔态,在经历两次SLM相互作用后,达到了 F(Φ⁺) = 0.9914。该工作将所得结果与六项已发表的实验研究进行了基准比较,这些研究的保真度范围在78%–99.6%之间。最终,波长依赖性分析确定450–532 nm操作是该器件的最优工作区间。

作者单位: VIP可见
提交arXiv: 2026-06-24 17:57

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