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金剛石氮-空位 (NV) 色心的相干控制

簡(jiǎn)介：

金剛石中的氮-空位 (NV) 色心是實(shí)現(xiàn)量子態(tài)相干控制的重要物理系統(tǒng)。NV 色心的電子自旋態(tài)可以通過(guò)一系列光脈沖和微波脈沖進(jìn)行控制，相對(duì)于其它固態(tài)物理系統(tǒng)，其相干時(shí)間即使在室溫下也比較長(zhǎng)。它既可以很好地與外界環(huán)境隔離進(jìn)而用于量子信息處理，又可以用作傳感器來(lái)測(cè)量外部的電場(chǎng)或磁場(chǎng)。通過(guò)控制矢量磁場(chǎng) NV 色心的能級(jí)間距，其操作頻率范圍可由直流調(diào)節(jié)到 20 GHz。NV色心在操作頻率范圍和對(duì)環(huán)境的敏感性方面都具有高度的可調(diào)節(jié)性，因此可以與不同的實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)合，適用于不同的應(yīng)用。

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應(yīng)用說(shuō)明測(cè)量方案相關(guān)產(chǎn)品

應(yīng)用說(shuō)明

圖1：金剛石 NV 色心能級(jí)圖

測(cè)量方案

首先，使用綠激光脈沖將 NV 色心初始化到基態(tài) | ms = 0 > (參見(jiàn)圖 1)，圖中光脈沖的開(kāi)斷是由 TTL 信號(hào)控制的聲光調(diào)制器 (AOM) 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如圖 2，HDAWG 數(shù)字輸入和輸出 (DIO) 端口發(fā)出的 TTL 脈沖通過(guò)數(shù)字緩沖器用于觸發(fā) AOM ，進(jìn)而調(diào)控綠激光脈沖。

無(wú)需額外的脈沖發(fā)生器，僅使用 HDAWG DIO 的 32 個(gè)通道，或者使用前面板上的 4 或 8 個(gè)標(biāo)記輸出，就可以實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單，更緊湊的實(shí)驗(yàn)設(shè)置。

圖2：使用 Zurich Instruments SHFSG 的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

自旋操縱是通過(guò)施加具有明確振幅、頻率和相位的微波（MW）信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。SHFSG將AWG產(chǎn)生IQ信號(hào)的能力與基于雙超外差技術(shù)的內(nèi)置上變頻相結(jié)合：這使得可以直接在NV中心自旋躍遷頻率下輸出頻譜清晰且復(fù)雜的傳感序列。SHFSG的振蕩器可以設(shè)置為任意相位值，從而可以根據(jù)需要調(diào)諧輸出信號(hào)的相位。

MW 信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后通過(guò) MW 天線(xiàn)在 NV 色心周?chē)a(chǎn)生微波磁場(chǎng)，因此通過(guò)使用一系列的 MW 脈沖可以控制 NV 色心的電子自旋態(tài)。某些測(cè)量需要多個(gè)頻率分量的組合，每個(gè)分量都有各自的脈沖形狀，例如，自旋態(tài)轉(zhuǎn)移需要兩個(gè)不同的微波頻率，核自旋和電子自旋之間相互作用的控制則既需要低頻信號(hào)也需要微波信號(hào)。由于 SHFSG 的 4 或 8 個(gè)輸出通道，可以協(xié)調(diào)生成多組脈沖包絡(luò)，從而輕松協(xié)調(diào)不同頻率的脈沖。

或者，HDAWG 也可以通過(guò)使用 IQ 混頻器將本地振蕩器 (LO) 的頻率與來(lái)自 HDAWG 的兩個(gè)輸出（在圖 3 中標(biāo)記為 I 和 Q）相結(jié)合，由此生成 MW 信號(hào)。I 和 Q 分量決定了最終 MW 信號(hào)的相位和幅值。I 和 Q 分量中的任何噪聲都會(huì)影響信號(hào)質(zhì)量，并可能造成脈沖誤差：HDAWG 的低噪聲水平確保了脈沖質(zhì)量不會(huì)受到儀器的限制。某些 IQ 混頻器存在 LO 泄漏，這可能導(dǎo)致不必要的躍遷并降低測(cè)量質(zhì)量；在必要的情況下，可以通過(guò)使用 HDAWG 的標(biāo)記輸出來(lái)控制 MW 開(kāi)關(guān)以防止泄漏的 LO 波及 NV 色心。然后，MW 信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后發(fā)送至 MW 天線(xiàn)，正如使用SHFSG的方案一樣。

圖 3：使用瑞士蘇黎世儀器公司 HDAWG 儀器的實(shí)驗(yàn)設(shè)置示意圖

NV 色心電子自旋態(tài)的讀出是通過(guò)用雪崩光電二極管 (APD) 測(cè)量來(lái)自綠激光脈沖激發(fā)產(chǎn)生的熒光光子的熒光率來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 NV 色心的表征或控制也可以通過(guò)紅激光（共振激發(fā)）或黃激光（電荷態(tài)讀出）來(lái)實(shí)現(xiàn)，最終通過(guò)對(duì) APD 輸出脈沖的計(jì)數(shù)來(lái)獲得測(cè)量結(jié)果。APD 上的計(jì)數(shù)可以用 SHFSG 選件外部計(jì)數(shù)器卡記錄，也可以通過(guò) HDAWG-CNT 選件計(jì)數(shù)來(lái)自于 APD 的脈沖，進(jìn)而測(cè)量熒光率。 HDAWG-CNT 具有納秒級(jí)的時(shí)間分辨率，并且可以對(duì)熒光光子進(jìn)行時(shí)間標(biāo)記。

NV 色心的量子態(tài)讀出可以通過(guò)普通光電二極管和鎖相檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

更好地與環(huán)境隔離或提高傳感器分辨率通常需要復(fù)雜的脈沖序列，這些脈沖序列可能包含較長(zhǎng)的脈沖或相隔時(shí)間很長(zhǎng)但非常短的一些脈沖。使用?LabOne^??AWG 的定序器可以?xún)?yōu)化波形處理，即，使用非常短的時(shí)間上傳長(zhǎng)脈沖，同時(shí)保持時(shí)間抖動(dòng)低于 10 ps。用戶(hù)可以使用自己已有的控制軟件對(duì) HDAWG 進(jìn)行編程。HDAWG 具有多種應(yīng)用開(kāi)發(fā)接口 (API), 如 MATLAB^?、Python、C、LabVIEW? 和 .NET, 因此用戶(hù)可以輕松地將 HDAWG 集成到現(xiàn)有的系統(tǒng)。

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