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Kohärente Kontrolle von NV-Zentren

Verwandte Produkte: HDAWG, HDAWG-CNT

Anwendungsbeschreibung

Stickstofflehrstellen (NV-Zentren) in Diamant bieten eine hervorragende Möglichkeit, den Zustand eines Quantensystems kohärent zu kontrollieren. Der Spin-Zustand des NV-Zentrums kann mit einer Sequenz von optischen und Mikrowellen-Pulsen manipuliert werden und weist selbst bei Raumtemperatur lange Kohärenzzeiten auf. Es kann entweder für Aufgaben der Quanteninformationsverarbeitung von der Umgebung isoliert oder als Sensor für externe elektrische oder magnetische Felder verwendet werden. Durch Verschieben der Energieniveaus des NV-Zentrums mit einem Vektormagneten kann es bei Frequenzen von DC bis zu 20 GHz arbeiten. Der hohe Grad an Abstimmbarkeit des NV-Zentrums, sowohl in Bezug auf seinen Frequenzbereich als auch auf seine Empfindlichkeit gegenüber der Umgebung, macht es zu einem vielseitigen System, wenn es mit einem experimentellen Aufbau gekoppelt ist, der seine Eigenschaften voll ausnutzen kann.

NV center level diagram

Abbildung 1: Diagramm der NV-Zentralebene.

Messverfahren

Das NV-Zentrum wird im Grundzustand |ms=0> (siehe Abbildung 1) durch einen anfänglichen grünen Laserpuls initialisiert, der durch ein TTL-Signal gesteuert wird, das an einen akusto-optischen Modulator (AOM) angelegt wird. In Abbildung 2 senden die digitalen Ein- und Ausgänge (DIOs) des HDAWG TTL-Impulse aus, die einen digitalen Puffer durchlaufen, bevor sie zum Triggern des AOM verwendet werden, das den grünen Laserimpuls erzeugt.

Die Verwendung der 32 Kanäle der DIOs oder alternativ der 4 bzw. 8 Markerausgänge auf der Frontplatte ermöglicht einfachere und kompaktere Versuchsaufbauten, da kein externer Impulsgeber erforderlich ist.

Coherent control of NV centers with Zurich Instruments HDAWG

Abbildung 2: Skizze eines Versuchsaufbaus mit dem Zurich Instruments HDAWG.

Die Spinmanipulation erfolgt durch Anlegen von Mikrowellensignalen (MW) mit genau definierter Amplitude, Frequenz und Phase. Die MW-Signale werden mit Hilfe eines IQ-Mischers erzeugt, der die Frequenz eines lokalen Oszillators (LO) mit zwei Ausgängen des HDAWG kombiniert, die in Abbildung 2 mit I und Q gekennzeichnet sind. Die I- und Q-Komponenten bestimmen die Phase und Amplitude des endgültigen MW-Signals, und jegliches Rauschen in den I- und Q-Komponenten beeinflusst die Signalqualität und kann Pulsfehler verursachen. Es ist daher entscheidend, dass die I- und Q-Komponenten vollständig steuerbar sind und gleichzeitig ein geringes Amplituden- und Phasenrauschen aufweisen. Die Oszillatoren des HDAWG können auf beliebige Phasenwerte eingestellt werden, so dass die Phasen der I- und Q-Ausgangssignale nach Bedarf kontrolliert werden können. Das geringe Rauschen des HDAWG sorgt dafür, dass die Pulsqualität nicht durch das Gerät beschränkt ist. Manche IQ-Mischer leiden unter der ungewollten Übertragung der LO-Frequenz, was unerwünschte Übergänge treiben und die Messqualität verringern kann. Bei Bedarf können die Marker-Ausgänge des HDAWG zur Steuerung von MW-Schaltern verwendet werden und verhindern, dass die unerwünschte LO-Frequenz das NV-Zentrum erreicht.

Das verstärkte und gemischte Signal wird an eine MW-Antenne gesendet, die Mikrowellenmagnetfelder am NV-Zentrum erzeugt und dadurch Pulsfolgen zur Manipulation des Spinzustands aussendet. Manche Messungen erfordern die Kombination mehrerer Frequenzkomponenten mit jeweils eigenen Pulsformen, wie z. B. bei Protokollen zum Zustandstransfer, die Pulse mit zwei verschiedenen Mikrowellenfrequenzen erfordern, oder bei kombinierten Hochfrequenz- und Mikrowellenfeldern zur Kontrolle von Wechselwirkungen zwischen Kern- und Elektronenspins. Dank der 4 oder 8 Ausgangskanäle des HDAWG können mehrere Sätze von Pulseinhüllenden gemeinsam erzeugt werden, was die Koordination von Impulsen mit unterschiedlichen Frequenzen erleichtert.

Die Auslesung des Quantenzustands des Spins des NV-Zentrums erfolgt durch die Beleuchtung des Systems mit einem grünen Laser und der Messung der Fluoreszenzrate mit einer Avalanche-Photodiode (APD). Die Charakterisierung bzw. Kontrolle des NV-Zentrums kann auch mit einem roten Laser (zur resonanten Anregung) oder einem gelben Laser (zur Auslesung des Ladungszustands) erfolgen; das Ergebnis kann durch die Zählraten auf der APD überwacht werden.

In beiden Fällen ermöglicht die HDAWG-CNT-Option die Zählung der APD-Pulse und die Messung der Fluoreszenzrate, einschließlich der Fähigkeit, Fluoreszenzphotonen mit einer zeitlichen Auflösung in der Größenordnung von Nanosekunden mit Zeitstempeln zu versehen.

Die Verbesserung der Isolation von der Umgebung oder der Messauflösung erfordert oft komplizierte Sequenzen mit einer langen Reihe von Pulsen oder einigen kurzen Pulsen, getrennt durch lange Perioden freier Zeitentwicklung. Mit dem LabOne® AWG Sequencer ist es möglich, die Verarbeitung der Wellenformen so zu optimieren, dass der HDAWG lange Signale mit einer kurzen Uploadzeit erzeugen kann und gleichzeitig eine hohe Timingpräzision mit einem Jitter unter 10 ps beibehält. Für Aufbauten mit eigener Steuerungssoftware kann der HDAWG über frei verfügbare APIs für MATLAB® und Python programmiert werden, was die Integration des HDAWG in bestehende Systeme vereinfacht.

Vorteile mit Zurich Instruments

  • Verbessern Sie die Empfindlichkeit oder den Schutz vor Dekohärenz mit langen und komplexen Pulsfolgen, die nicht durch Speicher oder Upload-Zeit begrenzt sind.
  • Steigern sie die Qualität Ihrer Messungen, indem Sie Pulse mit geringem Rauschen und geringem Timing-Jitter erzeugen.
  • Um die für das gewünschte Experiment optimale Pulsform zu erzeugen, nutzen Sie den HDAWG-Sequenzer für die Bearbeitung der Wellenform.
  • Dank der DIOs und Markerkanäle, die die Instrumente über Ihr gesamtes Experiment hinweg koordinieren, können Sie Ihr Setup vereinfachen.

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Videos

Überblick über den HDAWG Arbiträr-Funktionsgenerator

HDAWG High-Density Arbitrary Waveform Generator

Application Notes

Zurich Instruments

Frequency Up-Conversion for Arbitrary Waveform Generators

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