本发明属于量子寄存器的，具体涉及一种基于超构表面的量子寄存器芯片。
背景技术：
1、量子计算机对未来社会的科技、经济、金融以及国防安全等产生革命性的影响，被认为是第四次工业革命的引擎之一。目前，已建立以来用于量子计算的实验体系中，囚禁的中性单原子体系因为具有相干时间长、易操控和可规模化扩展等特点，成为实现量子模拟和量子计算的有力候选者之一，近年来该体系量子计算和量子模拟的发展取得了极大的进步。但是目前的单原子实验系统极为复杂，整个装置非常庞大，严重制约着该体系在量子计算和量子模拟领域的应用与发展，借鉴于传统计算机的发展历程，单原子体系的量子计算机要想实现商品化和产业升级的话，集成化和芯片化是其发展的必由之路。单原子系统的核心是磁光阱和量子寄存器，其中对于磁光阱，国际上已研制出成熟可行的芯片，而量子寄存器芯片的研制却无相关进展。量子寄存器是由偶极阱阵列囚禁单个原子构成的，其中偶极阱指的是激光束被强聚焦光学系统汇聚成的光斑。由于偶极力的作用，偶极阱可以从磁光阱中捕获单个原子作为量子比特，大量囚禁的单原子规则排列后就构成了量子信息的存储器件——量子寄存器。可见构建量子寄存器芯片的本质就是研制出可以产生偶极阱阵列的芯片。目前，构建偶极阱阵列并装载单原子构建出量子寄存器的方法主要有：slm法和aod法，但利用这两种方法构建的光路系统产生的球差大、系统体积庞大且费用较高，因此，将这套系统缩小至芯片量级对量子计算的集成化具有重要意义。
2、2001年，eric r.dufresne等人提出了adaptive-additive algorithm算法，该算法通过相位迭代计算出通过slm调制后的调制相位以及全息图，为实现多阵列的偶极阱的集成奠定了基础。2022年，美国nist(国际标准技术局)的t.-w.hsu等人发表一篇基于超构表面透镜实现单原子囚禁的文章。作者通过用单个超透表面透镜替代传统聚焦透镜组制备出偶极阱并囚禁住单原子。在此基础上，他们通过二维的aod对偶极光束进行调制使其衍射成多束光，然后再经过超构表面聚焦透镜获得3×3的光阱阵列。但是该工作只实现了聚焦系统的芯片化，仍然沿用传统的aod调制获得偶极阱阵列，系统依旧复杂且偶极光的光路很长。此外，该工作中未提及超构表面纳米柱相位不匹配而引入较大像差从而影响偶极阱质量的问题。
技术实现思路
1、超构表面是一种超薄的非均匀的平面媒介，通常由亚波长的平面纳米结构组成，可以对光的幅度、相位和偏振等进行精密地调控。与传统的凹、凸透镜相比超构表面器件具有以下特点：非常平整、厚度极薄、便于集成。经调研发现，现有针对使用超构表面器件产生偶极阱阵列的研究还存在超构表面纳米柱相位差未消除和集成化、芯片化程度不彻底的问题。为解决上述技术问题，本发明提供一种基于超构表面的量子寄存器芯片。
2、本发明的目的是以下述方式实现的：
3、一种基于超构表面的量子寄存器芯片，包括激光束，所述激光束通过超构表面后汇聚成半径1μm-2μm的光斑，多个光斑规则排列形成偶极阱阵列，光斑之间的间距范围为2μm-4μm。
4、所述激光束通过超构表面后汇聚成光斑阵列，即偶极阱阵列，为采用基于位置调节实现单元结构相位匹配的超构表面设计方法，将激光束通过超构表面后汇聚成光斑阵列。
5、所述基于位置调节实现单元结构相位匹配的超构表面设计方法包括相位叠加获得理论相位值以及单元结构相位匹配，其中单元结构相位匹配包括以下步骤：
6、s1：改变单元结构的高h和半径r，通过有限元分析，建立起单元结构的数据库所述数据库中包括单元结构的尺寸数据以及与单元结构尺寸相对应的实际透射率和实际传输相位
7、s2：建立超表面基底，将基底划分为单元结构的阵列，然后建立直角坐标系，并确定单元结构阵列中每个单元结构的位置坐标(xc，yc)；
8、s3：依次计算每个位置坐标(xc，yc)处的理论相位值并从数据库中选取与理论相位值最接近的单元结构，记为scc；
9、s4：判断scc的实际传输相位与理论相位之间的差值是否小于预定值0.05°，若小于，则将scc放置于相对应的位置坐标(xc，yc)处；
10、若大于或等于预定值0.05°，则在以位置坐标(xc，yc)为中心的“位置调节区”内移动单元结构的位置，所述“位置调节区”为方形区域，边长为2△v，面积为2△v×2△v，其中△v是边界参数，且△v小于单元结构周期的1/4；
11、s5：根据单元结构移动后的坐标位置(xi，yj)，其中i、j∈(1,n)为正整数，计算出移动后的理论相位值根据移动后的理论相位值从数据库中重新选取与最接近的单元结构sij，判断sij实际传输相位与理论相位值之间的差值是否小于预定值0.05°，若小于，则停止单元结构放置位置的移动，并将对应的单元结构放置在(xi，yi)处；若大于或等于预定值0.05°，则继续改变i、j的值，在“位置调节区”内再次移动单元结构的位置，并重复步骤s5；
12、如果i，j取完仍不能满足要求，则改变△v，继续重复步骤s4和步骤s5，直至满足要求；
13、步骤s3中最接近单元结构的选择包括如下步骤：
14、s31：计算理论相位值与数据库中各个实际传输相位之间的差值，选出差值中的最小值；
15、s32：将差值中的最小值所对应的单元结构尺寸作为最接近单元结构；
16、步骤s4中单元结构放置位置的移动包括如下步骤：
17、s41：以单元结构的位置坐标(xc，yc)为中心，建立一个边长为2△v的正方形区域“位置调节区”；
18、s42：将“位置调节区”划分为n×n个小区域，每个小区域的中心坐标为(xi，yj)，其中xi、yj的计算公式如下：
19、
20、
21、其中i、j∈(1,n)为正整数；
22、s43：通过循环改变i、j的值，依次将单元结构移动到每个小区域的中心坐标处；所述实际传输相位是在扫描单元结构的高h和半径r得到的数据库中选取的，所述理论相位值由相位叠加得到；所述移动后的实际传输相位值也是在所述数据库中选取的，移动后的理论相位值由相位叠加得到；
23、相位叠加获得理想相位值包含如下步骤：
24、(a)将设置的光阱阵列矩阵导入adaptive-additive algorithm算法，并在matlab中计算出调制相位
25、(b)基于设计的偶极阱的规格和大小，利用传统聚焦算法计算出强聚焦系统对偶极光的聚焦相位计算公式为：
26、
27、其中，f为焦距，λ为波长，x和y为单元结构放置在基底上时其中心位置的二维坐标；
28、(c)将调制相位和聚焦相位相叠加得到理论相位值计算公式为：
29、
30、其中，将设置的光阱阵列矩阵导入adaptive-additive algorithm算法，并在matlab中计算出调制相位
31、所述光斑阵列为1×2偶极阱阵列。
32、所述光斑阵列为2×2偶极阱阵列。
33、所述光斑阵列为3×3偶极阱阵列。
34、相对于现有技术，本发明的具有以下有益之处：本发明通过精细调节超构表面上纳米柱的位置，实现了对单元结构理论相位的精密控制，以此减小理论相位与实际相位之差，从而减小像差提高了偶极阱阵列的质量，并在该方法的基础上采用相位叠加的方式，设计出了能同时替代slm和强聚焦系统功能的超构表面器件，以此研制出偶极阱阵列和单原子量子寄存器芯片。
1.一种基于超构表面的量子寄存器芯片，包括激光束，其特征在于：所述激光束通过超构表面后汇聚成半径1μm-2μm的光斑，多个光斑规则排列形成偶极阱阵列，光斑之间的间距范围为2μm-4μm。
2.根据权利要求1所述的一种基于超构表面的量子寄存器芯片，其特征在于：所述激光束通过超构表面后汇聚成光斑阵列，即偶极阱阵列，为采用基于位置调节实现单元结构相位匹配的超构表面设计方法，将激光束通过超构表面后汇聚成光斑阵列。
3.根据权利要求2所述的一种基于超构表面的量子寄存器芯片，其特征在于：所述基于位置调节实现单元结构相位匹配的超构表面设计方法包括相位叠加获得理论相位值和单元结构相位匹配，其中单元结构相位匹配包括以下步骤：
4.根据权利要求2所述的一种基于超构表面的量子寄存器芯片，其特征在于：所述光斑阵列为1×2偶极阱阵列。
5.根据权利要求2所述的一种基于超构表面的量子寄存器芯片，其特征在于：所述光斑阵列为2×2偶极阱阵列。
6.根据权利要求2所述的一种基于超构表面的量子寄存器芯片，其特征在于：所述光斑阵列为3×3偶极阱阵列。
