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金剛石氮-空位 (NV) 色心的相干控制

簡介：

金剛石中的氮-空位 (NV) 色心是實現量子態相干控制的重要物理系統。NV 色心的電子自旋態可以通過一系列光脈沖和微波脈沖進行控制，相對于其它固態物理系統，其相干時間即使在室溫下也比較長。它既可以很好地與外界環境隔離進而用于量子信息處理，又可以用作傳感器來測量外部的電場或磁場。通過控制矢量磁場 NV 色心的能級間距，其操作頻率范圍可由直流調節到 20 GHz。NV色心在操作頻率范圍和對環境的敏感性方面都具有高度的可調節性，因此可以與不同的實驗裝置結合，適用于不同的應用。

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應用說明

圖1：金剛石 NV 色心能級圖

測量方案

首先，使用綠激光脈沖將 NV 色心初始化到基態 | ms = 0 > (參見圖 1)，圖中光脈沖的開斷是由 TTL 信號控制的聲光調制器 (AOM) 來實現的。如圖 2，HDAWG 數字輸入和輸出 (DIO) 端口發出的 TTL 脈沖通過數字緩沖器用于觸發 AOM ，進而調控綠激光脈沖。

無需額外的脈沖發生器，僅使用 HDAWG DIO 的 32 個通道，或者使用前面板上的 4 或 8 個標記輸出，就可以實現更簡單，更緊湊的實驗設置。

圖2：使用 Zurich Instruments SHFSG 的實驗裝置示意圖

自旋操縱是通過施加具有明確振幅、頻率和相位的微波（MW）信號來實現的。SHFSG將AWG產生IQ信號的能力與基于雙超外差技術的內置上變頻相結合：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雜的傳感序列。SHFSG的振蕩器可以設置為任意相位值，從而可以根據需要調諧輸出信號的相位。

MW 信號經過放大后通過 MW 天線在 NV 色心周圍產生微波磁場，因此通過使用一系列的 MW 脈沖可以控制 NV 色心的電子自旋態。某些測量需要多個頻率分量的組合，每個分量都有各自的脈沖形狀，例如，自旋態轉移需要兩個不同的微波頻率，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也需要微波信號。由于 SHFSG 的 4 或 8 個輸出通道，可以協調生成多組脈沖包絡，從而輕松協調不同頻率的脈沖。

或者，HDAWG 也可以通過使用 IQ 混頻器將本地振蕩器 (LO) 的頻率與來自 HDAWG 的兩個輸出（在圖 3 中標記為 I 和 Q）相結合，由此生成 MW 信號。I 和 Q 分量決定了最終 MW 信號的相位和幅值。I 和 Q 分量中的任何噪聲都會影響信號質量，并可能造成脈沖誤差：HDAWG 的低噪聲水平確保了脈沖質量不會受到儀器的限制。某些 IQ 混頻器存在 LO 泄漏，這可能導致不必要的躍遷并降低測量質量；在必要的情況下，可以通過使用 HDAWG 的標記輸出來控制 MW 開關以防止泄漏的 LO 波及 NV 色心。然后，MW 信號經過放大后發送至 MW 天線，正如使用SHFSG的方案一樣。

圖 3：使用瑞士蘇黎世儀器公司 HDAWG 儀器的實驗設置示意圖

NV 色心電子自旋態的讀出是通過用雪崩光電二極管 (APD) 測量來自綠激光脈沖激發產生的熒光光子的熒光率來實現的。 NV 色心的表征或控制也可以通過紅激光（共振激發）或黃激光（電荷態讀出）來實現，最終通過對 APD 輸出脈沖的計數來獲得測量結果。APD 上的計數可以用 SHFSG 選件外部計數器卡記錄，也可以通過 HDAWG-CNT 選件計數來自于 APD 的脈沖，進而測量熒光率。 HDAWG-CNT 具有納秒級的時間分辨率，并且可以對熒光光子進行時間標記。

NV 色心的量子態讀出可以通過普通光電二極管和鎖相檢測來實現。

更好地與環境隔離或提高傳感器分辨率通常需要復雜的脈沖序列，這些脈沖序列可能包含較長的脈沖或相隔時間很長但非常短的一些脈沖。使用?LabOne^??AWG 的定序器可以優化波形處理，即，使用非常短的時間上傳長脈沖，同時保持時間抖動低于 10 ps。用戶可以使用自己已有的控制軟件對 HDAWG 進行編程。HDAWG 具有多種應用開發接口 (API), 如 MATLAB^?、Python、C、LabVIEW? 和 .NET, 因此用戶可以輕松地將 HDAWG 集成到現有的系統。

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