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金刚石氮-空位 (NV) 色心的相干控制

简介：

金刚石中的氮-空位 (NV) 色心是实现量子态相干控制的重要物理系统。NV 色心的电子自旋态可以通过一系列光脉冲和微波脉冲进行控制，相对于其它固态物理系统，其相干时间即使在室温下也比较长。它既可以很好地与外界环境隔离进而用于量子信息处理，又可以用作传感器来测量外部的电场或磁场。通过控制矢量磁场 NV 色心的能级间距，其操作频率范围可由直流调节到 20 GHz。NV色心在操作频率范围和对环境的敏感性方面都具有高度的可调节性，因此可以与不同的实验装置结合，适用于不同的应用。

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应用说明

图1：金刚石 NV 色心能级图

测量方案

首先，使用绿激光脉冲将 NV 色心初始化到基态 | ms = 0 > (参见图 1)，图中光脉冲的开断是由 TTL 信号控制的声光调制器 (AOM) 来实现的。如图 2，HDAWG 数字输入和输出 (DIO) 端口发出的 TTL 脉冲通过数字缓冲器用于触发 AOM ，进而调控绿激光脉冲。

无需额外的脉冲发生器，仅使用 HDAWG DIO 的 32 个通道，或者使用前面板上的 4 或 8 个标记输出，就可以实现更简单，更紧凑的实验设置。

图2：使用 Zurich Instruments SHFSG 的实验装置示意图

自旋操纵是通过施加具有明确振幅、频率和相位的微波（MW）信号来实现的。SHFSG将AWG产生IQ信号的能力与基于双超外差技术的内置上变频相结合：这使得可以直接在NV中心自旋跃迁频率下输出频谱清晰且复杂的传感序列。SHFSG的振荡器可以设置为任意相位值，从而可以根据需要调谐输出信号的相位。

MW 信号经过放大后通过 MW 天线在 NV 色心周围产生微波磁场，因此通过使用一系列的 MW 脉冲可以控制 NV 色心的电子自旋态。某些测量需要多个频率分量的组合，每个分量都有各自的脉冲形状，例如，自旋态转移需要两个不同的微波频率，核自旋和电子自旋之间相互作用的控制则既需要低频信号也需要微波信号。由于 SHFSG 的 4 或 8 个输出通道，可以协调生成多组脉冲包络，从而轻松协调不同频率的脉冲。

或者，HDAWG 也可以通过使用 IQ 混频器将本地振荡器 (LO) 的频率与来自 HDAWG 的两个输出（在图 3 中标记为 I 和 Q）相结合，由此生成 MW 信号。I 和 Q 分量决定了最终 MW 信号的相位和幅值。I 和 Q 分量中的任何噪声都会影响信号质量，并可能造成脉冲误差：HDAWG 的低噪声水平确保了脉冲质量不会受到仪器的限制。某些 IQ 混频器存在 LO 泄漏，这可能导致不必要的跃迁并降低测量质量；在必要的情况下，可以通过使用 HDAWG 的标记输出来控制 MW 开关以防止泄漏的 LO 波及 NV 色心。然后，MW 信号经过放大后发送至 MW 天线，正如使用SHFSG的方案一样。

图 3：使用瑞士苏黎世仪器公司 HDAWG 仪器的实验设置示意图

NV 色心电子自旋态的读出是通过用雪崩光电二极管 (APD) 测量来自绿激光脉冲激发产生的荧光光子的荧光率来实现的。 NV 色心的表征或控制也可以通过红激光（共振激发）或黄激光（电荷态读出）来实现，最终通过对 APD 输出脉冲的计数来获得测量结果。APD 上的计数可以用 SHFSG 选件外部计数器卡记录，也可以通过 HDAWG-CNT 选件计数来自于 APD 的脉冲，进而测量荧光率。 HDAWG-CNT 具有纳秒级的时间分辨率，并且可以对荧光光子进行时间标记。

NV 色心的量子态读出可以通过普通光电二极管和锁相检测来实现。

更好地与环境隔离或提高传感器分辨率通常需要复杂的脉冲序列，这些脉冲序列可能包含较长的脉冲或相隔时间很长但非常短的一些脉冲。使用 LabOne^® AWG 的定序器可以优化波形处理，即，使用非常短的时间上传长脉冲，同时保持时间抖动低于 10 ps。用户可以使用自己已有的控制软件对 HDAWG 进行编程。HDAWG 具有多种应用开发接口 (API), 如 MATLAB^®、Python、C、LabVIEW™ 和 .NET, 因此用户可以轻松地将 HDAWG 集成到现有的系统。