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Controllo coerente dei centri NV

Prodotti correlati: HDAWG, HDAWG-CNT

Descrizione dell'applicazione

I centri azoto-lacuna (NV) nel diamante offrono una risorsa unica per controllare in modo coerente lo stato di un sistema quantistico. Lo stato di spin del centro NV può essere manipolato con una sequenza di impulsi ottici e a microonde, ed esibisce lunghi tempi di coerenza anche a temperatura ambiente; può essere anche isolato dall'ambiente per compiti di elaborazione dell'informazione quantistica o usato come sensore di campi elettrici o magnetici esterni. Lo spostamento dei livelli di energia del centro NV con un magnete vettoriale gli permette inoltre di operare a frequenze che vanno da DC fino a 20 GHz. L'alto grado di sintonizzabilità del centro NV, sia in termini di gamma di frequenze che di risposta ai cambiamenti dell'ambiente circostante, lo rende un sistema versatile quando accoppiato con un setup sperimentale che può sfruttare appieno le sue proprietà.

NV center level diagram

Figura 1: Diagramma dei livelli energetici di un centro NV.

Strategie di misura

Il centro NV è inizializzato nello stato |ms=0> (indicato in Figura 1) da un laser verde impulsato controllato da un segnale TTL applicato a un modulatore acusto-ottico (AOM). Nella Figura 2, gli ingressi e le uscite digitali (DIO) dello HDAWG inviano impulsi TTL che passano attraverso un buffer digitale prima di essere utilizzati per innescare l'AOM che genera l'impulso laser verde iniziale.

L'utilizzo dei 32 canali dei DIO o, in alternativa, delle 4/8 uscite marker sul pannello frontale, permette setup sperimentali più semplici e compatti perché non c'è bisogno di un generatore di impulsi esterno.

Coherent control of NV centers with Zurich Instruments HDAWG

Figura 2: Setup sperimentale che include lo HDAWG di Zurich Instruments.

La manipolazione degli spin viene effettuata applicando segnali a microonde (MW) con ampiezza, frequenza e fase ben definite. I segnali MW sono generati utilizzando un mixer IQ per combinare la frequenza di un oscillatore locale (LO) con due uscite dallo HDAWG, indicati con le lettere I e Q nella Figura 2. Le componenti I e Q determinano la fase e l'ampiezza del segnale MW finale, e qualsiasi rumore nelle componenti I e Q influenza la qualità del segnale e può causare errori di pulsazione. È quindi cruciale che le componenti I e Q siano completamente controllabili pur mantenendo un basso rumore di ampiezza e di fase. Gli oscillatori dello HDAWG possono essere impostati su valori di fase arbitrari, permettendo alle fasi dei segnali di uscita I e Q di essere regolate come necessario. Il basso rumore dello HDAWG assicura che la qualità degli impulsi non sia limitata dallo strumento. Alcuni mixer IQ soffrono di perdite del segnale LO, le quali possono portare a transizioni indesiderate e ridurre la qualità della misura. Se necessario, le uscite marker dello HDAWG possono essere utilizzate per controllare gli interruttori MW ed evitare che queste perdite raggiungano il centro NV.

Il segnale misto amplificato viene inviato a un'antenna MW che genera campi magnetici a microonde dove si trova il centro NV e quindi trasmette sequenze di impulsi per manipolare lo stato di spin. Alcune misure richiedono combinazioni di componenti a frequenze multiple, ognuna con la propria forma di impulso, come nei protocolli di trasferimento di stato che richiedono impulsi con due diverse frequenze nelle microonde o nei campi combinati di radiofrequenza e microonde per controllare le interazioni tra gli spin nucleari ed elettronici. Grazie ai 4/8 canali di uscita dell'HDAWG si possono generare più serie di inviluppi di impulsi in maniera coordinata, rendendo facile gestire impulsi a frequenze diverse.

La lettura dello stato quantistico dello spin centrale NV viene effettuata illuminando il sistema con il laser verde e misurando il tasso di fluorescenza su un fotodiodo a valanga (APD). La caratterizzazione e il controllo del centro NV possono essere effettuati anche con un laser rosso (per l'eccitazione risonante) e un laser giallo (per la lettura dello stato di carica); il risultato può essere monitorato attraverso i conteggi sull'APD.

In entrambi i casi, l'opzione HDAWG-CNT permette allo HDAWG di contare gli impulsi APD e misurare il tasso di fluorescenza, compresa la capacità di "etichettare" i fotoni di fluorescenza con una risoluzione temporale dell'ordine dei nanosecondi.

Migliorare l'isolamento dall'ambiente o la risoluzione di rilevamento spesso richiede sequenze complicate con una lunga serie di impulsi o pochi impulsi brevi separati da lunghi tempi di evoluzione. Con lo AWG Sequencer di LabOne® è possibile ottimizzare la gestione delle forme d'onda in modo che lo HDAWG possa generare lunghi segnali con un breve tempo di caricamento mantenendo una precisione elevata con un jitter inferiore a 10 ps. Per gli esperimenti basati su software di controllo pre-esistenti, lo HDAWG può essere programmato utilizzando le API liberamente disponibili per MATLAB® e Python, rendendo così l'integrazione dello strumento nei sistemi già sviluppati più semplice.

Perché scegliere Zurich Instruments

  • Beneficiate di sequenze di impulsi lunghi e complessi che non sono limitati dalla memoria o dal tempo di caricamento.
  • Potete aumentare la qualità delle vostre misure generando impulsi a basso rumore e con un piccolo jitter temporale.
  • Per generare la forma d'impulso ottimale per l'esperimento che volete realizzare, approfittate dello AWG Sequencer di LabOne per lo HDAWG.
  • Potete semplificare il vostro setup grazie ai DIO e ai canali marker che coordinano gli strumenti nel vostro esperimento.

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Video

Panoramica del generatore di forme d'onda arbitrarie HDAWG

HDAWG High-Density Arbitrary Waveform Generator

Application Notes

Zurich Instruments

Frequency Up-Conversion for Arbitrary Waveform Generators

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