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利用实时控制提高NV色心测试

简介：

量子计算，量子通信及量子度量学所面临的困难是巨大的，任何一个物理比特都与周围环境有各种各样的相互作用。而这种技术所依赖的量子资源（相干性，纠缠等等）对于环境的扰动是非常敏感的，在很短的时间内，制备的量子态的相干性和纠缠就会消失殆尽。人们想出了很多办法来克服这个问题，大致可分为两类。一种就是实现快速操作。也就是说在退相干时间前完成所有的比特操作。另一种就是延长退相干的时间。此篇文献利用实时反馈控制，控制苏黎世仪器的HDAWG产生序列脉冲波型，减少测量数量，达到快速操作的目的。

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背景介绍

相关产品：HDAWG，SHFSG

背景介绍

实时反馈控制通常可以加速量子实验、提高精确性或实现新方法。一个例子是自适应传感和表征，它使用反馈来最大限度地减少估计给定数量所需的测量数量。我们赫瑞瓦特大学（苏格兰爱丁堡）的Cristian Bonato 教授团队的客户最近在基于 NV 中心的自旋量子位上演示了这种方法，并且比起非自适应方法，在估计量子位退相干时间尺度速度提高了一个数量级。在这篇博文中，Muhammad Junaid Arshad 博士、Christiaan Bekker 博士和 Ben Haylock 博士分享了对 Zurich Instruments HDAWG 任意波形发生器的见解。

图 1：自适应退相干估计实验的示意图。 HDAWG 用于操纵 NV 中心自旋状态。自旋态通过雪崩光电二极管 (APD) 进行光学测量。微控制器使用光子计数率来估计退相干时间尺度的值并计算下一次测量的最佳探测时间 τ。

图 1 所示的过程基于贝叶斯推论，其中感兴趣参数的概率分布（例如退相干时间尺度T2的p(T₂）在每次测量结果mi之后通过贝叶斯规则进行更新

概率 p(mi |T2)（称为似然）描述了在给定退相干时间尺度 T 2的情况下检测到测量结果 m i的概率，其衰减按照对数规律减少。

每次测量后，概率分布用于计算最佳实验设置（在本例中为下一次测量的探测时间 τ）。这可以通过多种方式来完成。在这里，研究人员选择利用 Cramer-Rao 界并最大化 Fisher 信息，该信息描述了概率分布对给定参数的依赖程度。

使用实验设置的快速实时适应是一种有效表征量子系统及其动力学的有前景的技术，其应用范围从量子传感到量子设备的表征。例如，自适应技术可用于使用单个电子自旋作为微型量子传感器来加速磁场测量

图 2：实验装置中的光学、微波和电子硬件示意图。插图显示了 NV 中心在两种自旋状态之一下制备的光子到达时间的直方图。

设置描述

在图 2 所示的实验设置中，微控制器（AdWin Pro II，Jaeger Messtechniek GmbH）存储概率分布，根据测量结果应用贝叶斯规则，并计算最佳探测时间 τ。然后，微控制器通过其 DIO 端口将最佳探测时间的值馈送到 HDAWG，通过 DIO 位发出可用的新值信号。HDAWG 读取该值并相应地构建脉冲序列，该序列由两个间隔时间 τ 的 π/2 脉冲组成。生成的信号被上转换为与电子自旋跃迁共振的微波频率，然后放大并发送到样品。

用光学方法读出NV 中心自旋，通过用绿色激光脉冲激发它，并检测发射的光致发光。两种自旋本征态之一可以在光学照射下陷入亚稳态，导致较低的光致发光强度，从而实现与自旋相关的亮度。单次读出在室温实验中不可用，因此我们需要重复实验 R 次：包含光子数 r 的信号由微控制计数器在 R 次重复中检测到[2]。有关实验设置的更多详细信息可以在手稿的附录中找到。

用光学方法读出NV 中心自旋，通过用绿色激光脉冲激发它，并检测发射的光致发光。两种自旋本征态之一可以在光学照射下陷入亚稳态，导致较低的光致发光强度，从而实现与自旋相关的亮度。单次读出在室温实验中不可用，因此我们需要重复实验 R 次：包含光子数 r 的信号由微控制计数器在 R 次重复中检测到。有关实验设置的更多详细信息可以在手稿的附录中找到。

实时通讯

实时通讯

Zurich Instruments HDAWG 和微控制器之间的交互是通过 32 位 DIO 连接完成的。对于 HDAWG，前三个 8 位总线配置为输入，第四个设置为输出。微控制器使用第一条总线来标记何时更新参数值、何时准备好供 HDAWG 使用，以及对序列应用布尔设置（例如，使用 π 脉冲？真/假）。第二和第三总线各自用于传送HDAWG将其解释为实验设置的值（例如微波脉冲长度或激光脉冲之间的延迟）。 HDAWG 使用最后一条总线在运行序列或等待微控制器更新下一次测量运行的值时发出信号

图三.代表着适应实验流程的流程图

序列编程

典型的序列从初始化实验常数和波的段开始。初始化完成后，序列进入do-while循环，并发出信号表示已经准备好开展测量

do {

// Waiting for the ADwin to be ready, AWG is ready at this point

setDIO(1<<AWG_ready_pin);

然后，HDAWG等待微控制器指示它已准备好与测量参数通信，使用waitDIOTrigger（），并捕获这些值，使用getDIO（）：

waitDIOTrigger();

var dio = getDIO();

然后根据所执行的测量对输入参数进行解释。例如，在Ramsey测量[1]的情况下，微控制器给出的两个π/2微波脉冲之间的延迟的编码的输入参数。

// get the value of the delay length (parameter we are trying to sweep with ADwin) wait(10);

var t1_delay = (dio>>ADwin_para) & 0xFF;

一旦定义了该值，它就会通过playZero（）指令用作脉冲序列中的延迟，并实现缩放因子以将8位值转换为正确的波形长度。这使得延迟在运行时之前完全是任意的

setTrigger(AOM_channel);

wait(Cycles_rect);

setTrigger(0);

repeat(n_pulses)

{ playZero(Samples_wait_after_pulse);

resetOscPhase();

setSinePhase(0, 0);

setSinePhase(1, 90+IQ_phase_correction);

playWave(I_channel,w_mw_pi_padded,Q_channel,w_mw_pi_padded*IQ_factor); playZero(t1_delay*scaling_factor-Sample_wait_between_mw_pulses-padding); playZero(Sample_wait_between_mw_pulses);

waitWave();

playWave(I_channel,w_mw_pi_padded,Q_channel,w_mw_pi_padded*IQ_factor); playZero(Samples_wait_after_pulse);

waitWave(); }

在代码中，微控制器的不同计数通道之间的切换是使用Marker通道实现的（即上面示例中的setTrigger()）。一旦所需的脉冲序列数量被播放，HDAWG就会向微控制器发出完成的信号：

// Send DIO finished to ADwin

setDIO(1<<AWG_done_pin);

wait(Cycles_sequence_wait);

} while (True)

然后序列处理器返回到序列开头的do-while循环，等待来自微控制器的下一个测量序列的参数。序列设置的方式意味着HDAWG 不需要知道如何确定每个测量的参数（例如通过参数扫描或自适应贝叶斯更新协议），也不需要知道需要多少个测量序列。一旦完成所需的一组测量，微控制器就会向 LabOne Python API 发出信号以停止 HDAWG 序列。同样，微控制器不需要知道测量的脉冲序列，而只需知道在给定测量的信号计数的情况下如何更新所研究的退相干率的预期值。

此序列中使用的交接协议意味着 HDAWG 和微控制器之间不需要快速同步。当一台仪器繁忙时，它将关闭其“就绪”指示并继续其过程，直到需要另一台仪器的输入为止。当到达这一点时，它进入等待循环并打开其“就绪”指示。这允许其他仪器使用发送的新信息启动其过程，直到它可以提供反馈信息。由于没有瞬态信号，仪器之间的切换顺利进行，并且一旦所需的信息准备好，就会启动该过程的每个部分。

结论

HDAWG能够实时调整脉冲序列参数，如延迟时间和脉冲相位。这种能力与实时优化算法相结合，可以为实现更有效的量子实验协议提供新的机会。要探索实时控制用例中的可能性，请与我们联系，让我们谈谈！