光束指向稳定性与光学量子计算

光束指向稳定技术是确保光学量子计算系统长时间高精度运行的基础。它对于实现高保真的量子门操作、降低光子损耗和维持干涉性能至关重要。特别在自由空间或混合系统中（如自由空间+光纤结构），其作用更加突出。

什么是光束指向稳定性？

光束指向稳定性是指通过主动控制激光或光束的位置和方向，使其在时间上保持稳定地对准目标（如分束器、探测器或光纤接口），从而抵抗环境扰动，如：

* 振动

* 热漂移

* 空气流动

* 机械结构松动或下沉

实现方式通常包括主动反馈控制系统，常用组件有：

* 位置敏感探测器（PSD）或象限光电二极管

* 压电控制的反射镜或快速光束偏转器

* 封闭回路的反馈控制系统（PID 控制）

为什么光束指向稳定性对光学量子计算至关重要？

在光学量子计算中，特别是涉及自由空间光学系统或干涉仪结构时，保持高精度和高稳定性的光束对准是至关重要的。以下是一些主要原因：

1. 避免干涉可见度下降

量子逻辑门往往依赖光子之间的干涉（如 Mach-Zehnder 干涉仪），这要求路径和相位必须高度一致。若光束漂移 → 光路失配 → 干涉效果减弱 → 量子逻辑门的保真度下降。

2. 减少光子耦合损耗

在系统中，光子常常需要从自由空间传输进入光纤或光子芯片。哪怕是微小的光束偏移都会造成耦合效率下降：

* 更少的光子成功进入目标路径

* 更高的光子损耗 = 更多退相干 = 运算失败

3. 保持探测效率

如果光束偏离了探测器中心（如 SNSPD 或 APD），探测效率会降低。严重时，可能完全检测不到光子。

光学量子计算中光束指向稳定性的典型应用场景

常见的稳定技术和设备

1. 快速控制反射镜（Fast Steering Mirrors）

   * 使用压电器件实时调整反射镜角度，快速补偿偏移

2. 象限探测器（Quadrant Photodiodes）

   * 监测光束是否偏离目标区域，实现实时反馈

3. PID 闭环反馈控制系统

   * 自动校正反射镜位置，持续维持对准状态

关于德国MRC公司：

德国MRC Systems GmbH 成立于 1995 年，源自海德堡大学和德国癌症研究中心（DKFZ）的衍生企业。MRC 是一家独立公司，总部位于德国海德堡。该公司提供性能优异的激光光束指向稳定系统。主要产品特点包括：

• 主动闭环控制
• 采用模拟系统核心，实现最高控制性能与最小相位延迟，最佳光束稳定精度优于0.1μm/0.1μrad
• 无数字化阶跃，实现最高分辨率
• 无需用户干预，不需要计算机即可运行
• 提供USB 接口（也支持以太网、RS-232）及配套软件
• 连续波（CW）和脉冲激光的高精度定位
• 也适用于超短脉冲激光器（皮秒、飞秒级）
• 提供OEM 定制版本
• 卓越的性价比

图一、图二：实物展示

图四：效果展示