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NV 센터의 결맞음 제어

관련 제품 : HDAWG , HDAWG-CNT

응용 프로그램 설명

다이아몬드 NV (nitrogen vacancy)센터는 양자 시스템의 상태를 결맞음 상태로 제어할수 있는 최고의 기회를 제공합니다. NV 센터의 스핀 상태는 일련의 광학 및 마이크로파 펄스로 조작할 수 있으며, 실온에서도 긴 결맞음 시간(coherence times)을 나타냅니다. 양자 정보 처리 작업을 위해 환경으로부터 격리되거나, 외부 전기장 또는 자기장의 센서로 사용될 수 있습니다. 벡터 자석으로 NV 센터의 에너지 레벨을 이동하면, DC에서 최대 20 GHz의 주파수에서 작동할 수 있습니다. NV 센터의 높은 조정가능성은, 주파수 범위와 환경에 대한 민감도 측면에서 모두, 해당 특성을 충분히 활용할 수 있는 실험 설정과 결합될 때, 다목적 시스템이 됩니다.

NV center level diagram

그림 1: NV 센터 레벨 다이어그램.

측정 전략

NV센터는 |ms=0> 접지 상태(그림 1 참조)에서 초기 녹색 레이저 펄스에 의해 초기화되며, 이 펄스는 음향 광학 변조기 (acousto-optic modulator - AOM)에 적용된 TTL 신호에 의해 제어됩니다. 그림 2에서, HDAWG의 디지털 입력 및 출력(DIO)은, 녹색 레이저 펄스를 생성하는 AOM을 트리거하는데 사용되는, 디지털 버퍼로 TTL 펄스를 보냅니다.

DIO의 32 개 채널 또는 전면 패널의 4 개 또는 8 개 마커 출력을 사용하면, 외부 펄스 발생기가 필요 없기 때문에, 보다 간단하고 컴팩트한 실험 설정이 가능합니다.

Coherent control of NV centers with Zurich Instruments HDAWG

그림 2: 취리히인스트루먼트 HDAWG를 사용한 실험셋업 스케치.

스핀 조작은 진폭, 주파수, 및 위상이 잘 정의된 마이크로파(MW) 신호를 적용하여 수행합니다. MW 신호는 IQ 믹서를 사용하여 로컬 오실레이터(LO)의 주파수를 HDAWG의 두 출력(그림 2의 I 및 Q)과 결합함으로써 생성됩니다. I 및 Q 구성 요소는 최종 MW 신호의 위상 및 진폭을 결정하며, I 및 Q 구성 요소의 노이즈가 신호 품질에 영향을 미치고 펄스 오류를 발생시킬 수 있습니다. 따라서 I 및 Q 구성 요소를 완전히 제어할 수 있는 동시에, 낮은 진폭과 위상 노이즈를 갖는 것이 중요합니다. HDAWG의 오실레이터는 임의의 위상 값으로 설정될 수 있으므로, I 및 Q 출력 신호의 위상을 필요에 따라 조정할 수 있습니다. HDAWG의 노이즈가 낮기 때문에 계측기에 의해 펄스 품질이 제한되지 않습니다. 일부 IQ 믹서는 LO 누출로 인해, 원치 않는 전환을 야기하고 측정 품질을 저하시킬 수 있습니다. 필요한 경우, HDAWG의 마커 출력을 사용하여 MW 스위치를 제어하고 누출된 LO가 NV 센터에 도달하는 것을 방지할 수 있습니다.

증폭된 혼합 신호는 MW 안테나로 전송되며, MW 안테나는 NV 센터에서 마이크로파 자기장을 생성하며, 그에 따라 펄스 시퀀스를 전송하여 스핀 상태를 조작합니다. 일부 측정에는 서로 다른 두 마이크로파 주파수를 가진 펄스가 필요한 상태 전송 프로토콜이나, 핵과 전자 스핀 간의 상호작용을 제어하기 위해 결합된 무선 주파수 및 마이크로파 필드와 같이, 각각 고유한 펄스 형태를 가진 여러 주파수 구성요소의 조합이 필요합니다. HDAWG의 4개 또는 8개 파형 출력 채널 덕분에, 여러 세트의 펄스 엔벨롭을 동시에 생성할 수 있습니다, 다양한 주파수로 펄스를 쉽게 조정할 수 있습니다.

NV 센터 스핀의 양자 상태 판독은 녹색 레이저로 시스템을 조명하고, avalanche photodiode (APD)의 fluorescence rate를 측정하여 수행됩니다. 또한 빨간색 레이저(공명 여기용) 또는 노란색 레이저(충전 상태 판독용)를 사용하여, NV 센터의 특성화 또는 제어가 가능합니다. 결과는 APD의 카운트를 통해 모니터링할 수 있습니다.

두 경우 모두, HDAWG-CNT 옵션을 사용하면 HDAWG가 APD 펄스를 카운트하고 fluorescence rate를 측정할 수 있습니다. Fluorescence photons를 나노초 단위로 시간 분해능으로 시간 태그할 수 있는 기능을 포함합니다.

환경 또는 감지 분해능으로부터의 분리를 개선하려면, 종종 긴 일련의 펄스 또는 긴 evolution 시간으로 분리된 몇 개의 짧은 펄스를 특징으로 하는, 복잡한 시퀀스가 필요합니다. LabOne® AWG 시퀀서를 사용하면 HDAWG가 짧은 업로드 시간으로 긴 신호를 생성하는 동시에, 10 ps 미만의 지터로 높은 타이밍 정밀도를 유지할 수 있도록 파형 처리를 최적화할 수 있습니다. 자체 제어 소프트웨어가 있는 설정의 경우, 자유롭게 사용 가능한 MATLAB® 및 Python용 APIs 를 사용하여 HDAWG를 프로그래밍할 수 있으므로, HDAWG를 기존 시스템에 쉽게 통합할 수 있습니다.

취리히인스트루먼트의 이점

  • 메모리 또는 업로드 시간에 의해 제한되지 않는 길고 복잡한 펄스 시퀀스로 감도 또는 코히어런스 보호를 개선합니다.
  • 낮은 노이즈와 낮은 타이밍 지터로 펄스를 생성하여 측정 품질을 높일 수 있습니다.
  • 수행하려는 실험에 최적인 펄스 형태를 생성하려면 파형 처리를 위한 HDAWG 시퀀서를 활용하십시오.
  • 실험 전반에 걸쳐 장비를 조정하는 DIO 및 마커 채널 덕분에 설정을 단순화할 수 있습니다.

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동영상

HDAWG 임의 파형 발생기 개요

HDAWG High-Density Arbitrary Waveform Generator

Application Notes

Zurich Instruments

Frequency Up-Conversion for Arbitrary Waveform Generators

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