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NV 센터의 결맞음 제어

관련 제품 : SHFSG , HDAWG , HDAWG-CNT

응용기술 설명

다이아몬드의 질소-공공 (NV) 센터는 양자 시스템의 결맞는 상태를 제어할 수 있는 최상의 기회를 제공합니다. NV 중심의 스핀 상태는 일련의 광학 및 마이크로파 펄스로 조작될 수 있으며 실온에서도 긴 결맞음 시간을 나타냅니다. 양자 정보 처리 작업을 위해 환경으로부터 격리되거나 외부 전기장 또는 자기장 센서로 사용될 수 있습니다. 벡터 자석을 사용하여 NV 센터의 에너지 레벨을 이동하면 DC에서 최대 20GHz 범위의 주파수에서 작동할 수 있습니다. 주파수 범위와 환경에 대한 민감도 측면에서 NV 센터의 높은 조정 가능성은 해당 특성을 완전히 활용할 수 있는 실험 설정과 결합될 때 이를 다목적 시스템으로 만듭니다.

NV center level diagram

도표 1: NV 센터 레벨 그림.

측정 전략

NV 센터은 음향 광학 변조기(AOM)에 적용되는 TTL 신호에 의해 제어되는 녹색 레이저 펄스에 의해 |m s =0> 접지 상태(도표 1 참조)에서 초기화됩니다. 도표 2는 취리히인스트루먼트 SHFSG 신호 발생기의 마커 출력이 녹색 레이저 펄스를 생성하는 AOM을 트리거 하기 위해 TTL 펄스를 보내는 방법을 보여줍니다. 도표 3은 HDAWG 임의 파형 발생기의 디지털 입력 및 출력을 기반으로 한 대체 셋업을 보여줍니다.

전면 패널의 4개 또는 8개 마커 출력을 사용하거나 DIO의 32개 채널을 사용하면 외부 TTL 펄스 생성기가 필요하지 않기 때문에 더 간단하고 컴팩트한 실험 셋업이 가능합니다.

NV center setup

도표 2: 취리히인스트루먼트 SHFSG를 사용한 실험 셋업 스케치.

스핀 조작은 진폭, 주파수 및 위상이 잘 정의된 마이크로파(MW) 신호를 적용하여 수행됩니다. SHFSG는 더블 슈퍼헤테로다인 기술 기반으로 내장된 주파수 상향 변환을 통해 IQ 신호를 생성하는 AWG의 기능을 결합합니다. 이를 통해 NV 중심 스핀 전이 주파수에서 스펙트럼적으로 깨끗하고 복잡한 감지 시퀀스를 직접 출력할 수 있습니다. SHFSG의 발진기는 임의의 위상 값으로 설정될 수 있으므로 출력 신호의 위상을 필요에 따라 조정할 수 있습니다.

증폭된 출력 신호는 MW 안테나로 전송되어 NV 중심에서 마이크로파 자기장을 생성하고 그에 따라 일련의 펄스를 전송하여 스핀 상태를 조작합니다. 일부 측정에는 각각 고유한 펄스 모양을 가진 여러 주파수 구성 요소의 조합이 필요합니다. 예를 들어 상태 전송 프로토콜에 경우 서로 다른 마이크로파 주파수가 있는 펄스가 필요한 경우나 핵 스핀 및 전자 스핀의 상호 작용을 제어하는 결합된 무선 주파수 및 마이크로파 장의 경우가 있습니다. SHFSG의 4개 또는 8개 출력 채널 덕분에 여러 세트의 펄스 포락선을 동시에 생성할 수 있으므로 다양한 주파수의 펄스를 쉽게 조정할 수 있습니다.

대안적으로 HDAWG는 IQ 믹서를 사용하여 로컬 오실레이터 (LO)의 주파수를 HDAWG의 두 출력(도표 3에서 I 및 Q로 표시)과 결합하여 MW 신호를 생성할 수 있습니다. I 및 Q 구성 요소는 LO(국부 발진기)의 위상과 진폭을 결정합니다. 최종 MW 신호. I 및 Q 구성 요소의 노이즈는 신호 품질에 영향을 미치고 펄스 오류를 일으킬 수 있습니다. HDAWG의 낮은 노이즈는 펄스 품질이 계측에 의해 제한되지 않도록 보장합니다. 일부 IQ 믹서는 원치 않는 전환을 유도하고 측정 품질을 저하시킬 수 있는 LO 누출 겪고 있습니다. 필요한 경우 HDAWG의 마커 출력을 사용하여 MW 스위치를 제어하고 누출된 LO가 NV 센터에 도달하는 것을 방지할 수 있습니다. 그런 다음 MW 신호는 SHFSG와 마찬가지로 증폭되어 MW 안테나로 전송됩니다.

Coherent control of NV centers with Zurich Instruments HDAWG

도표 3: 취리히인스트루먼트 HDAWG를 사용한 실험 셋업 스케치.

NV 센터 스핀의 양자 상태 판독은 녹색 레이저로 시스템을 조명하고 APD(Avalanche Photodiode)로 형광도를 측정하여 수행됩니다. NV 센터의 특성화 또는 제어는 빨간색 레이저(공진 여기용) 또는 노란색 레이저(전하 상태 판독용)를 사용하여 달성할 수도 있습니다. 결과는 APD의 카운트를 통해 모니터링할 수 있습니다. APD의 카운트는 SHFSG로 게이트할 수 있는 외부 카운터 카드 또는 HDAWG의 HDAWG-CNT 펄스 카운터 옵션을 사용하여 기록할 수 있습니다. HDAWG-CNT 업그레이드 옵션을 사용하면 감지된 카운트 속도를 사용하여 시퀀스 내에서 실시간 결정(예: 충전 상태 초기화)을 내릴 수도 있습니다.

NV 센터 앙상블의 양자 상태 판독은 일반 포토다이오드 및 락인 디텍션 통해 달성할 수 있습니다. 이 응용 페이지에서는 이 사용 사례에 대해 취리히인스트루먼트의 락인앰플리파이어 사용할 때의 이점을 보여줍니다.

환경으로부터의 격리 또는 감지 분해능을 개선하려면 긴 펄스 시리즈 또는 긴 진화 시간으로 분리된 몇 개의 짧은 펄스를 특징으로 하는 복잡한 시퀀스가 필요한 경우가 많습니다. LabOne ® AWG 시퀀서를 사용하면 SHFSG 또는 HDAWG가 10 ps 미만의 지터로 높은 타이밍 정밀도를 유지하면서 짧은 업로드 시간으로 긴 신호를 생성할 수 있도록 파형 처리를 최적화할 수 있습니다. 자체 제어 소프트웨어를 사용한 설정의 경우 SHFSG 및 HDAWG는 모두 무료로 제공되는 MATLAB ® 및 Python용 API 또는 LabOne Q 소프트웨어 프레임워크를 사용하여 프로그래밍할 수 있으므로 제품을 기존 시스템에 쉽게 통합할 수 있습니다.

취리히인스트루먼트를 선택할 때 얻는 이점

  • 메모리나 업로드 시간에 의해 제한되지 않는 길고 복잡한 펄스 시퀀스로 감도 또는 결맞음 보호를 향상 시킵니다.
  • 깨끗한 스펙트럼과 낮은 타이밍 지터로 펄스를 생성하여 측정 품질을 높일 수 있습니다.
  • 수행하려는 실험에 최적인 펄스 형태를 생성하려면 파형 처리에 AWG 시퀀서를 활용하십시오.
  • 실험 전반에 걸쳐 제품 조정하는 마커 채널과 DIO 덕분에 설정을 단순화할 수 있습니다.

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