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Contrôle cohérent des centres NV

Produits associés : HDAWG, HDAWG-CNT

Description de l'application

Les centres azote-lacune (ou centres NV) du diamant offrent une excellente opportunité pour contrôler de manière cohérente l'état d'un système quantique. L'état de spin du centre NV peut être manipulé avec une séquence d'impulsions optiques et micro-ondes, et présente de longs temps de cohérence même à température ambiante. Il peut être isolé de l'environnement pour des applications dans le domaine de l'informatique quantique ou être utilisé comme capteur de champs électriques ou magnétiques externes. Le déplacement des niveaux d'énergie du centre NV avec un aimant vectoriel permet d'opérer à des fréquences allant du courant continu jusqu'à 20 GHz. L'élevé degré d'accordabilité du centre NV, tant en termes de gamme de fréquences que de sensibilité à l'environnement, en fait un système polyvalent lorsqu'il est associé à un dispositif expérimental capable d'exploiter pleinement ses propriétés.

NV center level diagram

Figure 1 : Diagramme des niveaux d'énergie d'un centre NV.

Stratégies de mesure

Le centre NV est initialisé dans l'état |ms=0> (voir Figure 1) par une impulsion laser contrôlée par un signal TTL appliqué à un modulateur acousto-optique (AOM). Sur la figure 2, les entrées et les sorties numériques (DIO) du HDAWG envoient des impulsions TTL qui passent par un tampon numérique avant d'être utilisées pour déclencher l'AOM générant l'impulsion laser verte.

L'utilisation des 32 canaux des DIO ou, alternativement, des 4 ou 8 sorties de marqueurs sur la face avant, permet de réaliser des solutions expérimentales plus simples et plus compactes car il n'est pas nécessaire d'ajouter un générateur d'impulsions externe.

Coherent control of NV centers with Zurich Instruments HDAWG

Figure 2 : Exemple de configuration expérimentale comprenant l'instrument HDAWG de Zurich Instruments.

La manipulation du spin s'effectue par l'application de signaux micro-ondes (MW) dont l'amplitude, la fréquence et la phase doivent être bien définies. Les signaux MW sont générés grâce à un mélangeur IQ qui combine la fréquence d'un oscillateur local (LO) avec deux sorties du HDAWG, marquées I et Q sur la figure 2. Les composantes I et Q déterminent la phase et l'amplitude du signal MW final: tout bruit dans les composantes I et Q influencera la qualité du signal et pourra provoquer des erreurs de pulsation. Il est donc essentiel que les composantes I et Q soient entièrement contrôlables tout en présentant un faible bruit d'amplitude et de phase. Les oscillateurs du HDAWG peuvent être réglés sur des valeurs de phase arbitraires, ce qui permet d'ajuster les phases des signaux de sortie I et Q selon les besoins individuels. Le faible bruit du HDAWG garantit que la qualité des impulsions n'est pas limitée par l'instrument. Certains mélangeurs IQ souffrent de fuites du signal du LO qui peuvent entraîner des transitions indésirables et réduire la qualité des mesures. Si nécessaire, les sorties de marqueurs du HDAWG peuvent être utilisées pour contrôler les commutateurs MW et empêcher ainsi les fuites du signal du LO d'atteindre le centre NV.

Le signal mixte amplifié est envoyé à une antenne MW qui génère des champs magnétiques micro-onde au centre du NV et transmet des séquences d'impulsions pour manipuler l'état du spin. Certaines mesures nécessitent de combinaisons de plusieurs composantes en fréquence, chacune ayant sa propre forme d'impulsion, comme dans les protocoles de transfert d'état nécessitant d'impulsions avec deux fréquences micro-ondes différentes ou dans les champs combinés radiofréquence et micro-onde utilisés pour contrôler les interactions entre les spins nucléaire et électronique. Grâce aux 4 ou 8 canaux de sortie du HDAWG, il est possible de générer plusieurs ensembles d'enveloppes d'impulsions et faciliter ainsi la coordination d'impulsions à des fréquences différentes.

La lecture de l'état quantique du spin du centre NV est effectuée en illuminant le système avec le laser vert et en mesurant le taux de fluorescence sur une photodiode à avalanche (APD). La caractérisation ou le contrôle du centre NV peut également se faire avec un laser rouge (pour l'excitation résonante) ou un laser jaune (pour la lecture de l'état de charge) ; le résultat peut alors être suivi à travers les événements de détection sur l'APD.

Dans les deux cas, l'option HDAWG-CNT permet de compter les impulsions issues de l'APD et de mesurer le taux de fluorescence, y compris la possibilité de marquer temporellement les photons avec une résolution de l'ordre de la nanoseconde.

L'amélioration de l'isolation de l'environnement ou de la résolution de détection nécessite souvent de séquences compliquées comportant une longue série d'impulsions ou quelques impulsions courtes séparées par de longs temps d'évolution. Avec le séquenceur AWG de LabOne®, il est possible d'optimiser le traitement des formes d'onde de sorte que le HDAWG puisse générer de longs signaux avec un temps d'évolution court tout en maintenant une grande précision de synchronisation avec une gigue inférieure à 10 ps. Pour les manipulations disposant d'un logiciel de contrôle propre, le HDAWG peut être programmé à l'aide des API disponibles pour MATLAB® et Python, ce qui facilite l'intégration du HDAWG dans des systèmes déjà établis.

Pourquoi choisir Zurich Instruments

  • Améliorez la sensibilité ou la protection de la cohérence avec des séquences d'impulsions longues et complexes qui ne sont pas limitées par la mémoire ou le temps de chargement.
  • La qualité de vos mesures sera plus élevée grâce à des impulsions à faible bruit et à faible gigue temporelle.
  • Pour générer la forme d'impulsion optimale pour l'expérience que vous souhaitez réaliser, profitez du séquenceur HDAWG pour la manipulation des formes d'onde.
  • Vous pouvez simplifier votre système grâce aux DIO et aux sorties de marqueurs qui coordonnent les instruments de votre manipulation.

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Vidéos

Aperçu du générateur de formes d'onde arbitraires HDAWG

HDAWG High-Density Arbitrary Waveform Generator

Application Notes

Zurich Instruments

Frequency Up-Conversion for Arbitrary Waveform Generators

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