量子信息科學(xué)研究面臨的最大困難之一是量子比特系統(tǒng)固有的不穩(wěn)定性。量子疊加態(tài)本質(zhì)上是脆弱的，因?yàn)閬碜跃植凯h(huán)境的任何干擾，包括熱激發(fā)、機(jī)械振動(dòng)或雜散電磁場，都可能對量子態(tài)的相干性產(chǎn)生有害影響。這些噪聲環(huán)境下的量子比特往往會(huì)產(chǎn)生更高的錯(cuò)誤率，而主動(dòng)糾錯(cuò)對于任何可能實(shí)現(xiàn)的大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)來說都是一個(gè)嚴(yán)格的要求。

相比之下，量子信息科學(xué)的另一個(gè)分支領(lǐng)域，量子傳感，旨在將這一障礙轉(zhuǎn)化為優(yōu)勢。由于量子比特對環(huán)境參數(shù)極為敏感，這也使其具備實(shí)現(xiàn)高靈敏度傳感器的潛力。盡管像離子阱和中性原子這樣的原子系統(tǒng)在電磁場測量、重力測量和加速度傳感等領(lǐng)域展現(xiàn)了出色的性能，但對于磁場傳感，目前最流行系統(tǒng)之一是利用被束縛在金剛石晶格內(nèi)的氮空位缺陷構(gòu)建量子比特，實(shí)現(xiàn)高精度的磁力測量。

由德國Max-Plank高分子研究所的Ronald Ulbricht博士領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)正致力于研究增強(qiáng)這類固態(tài)磁力計(jì)靈敏度的新技術(shù)。在開展研究的過程中，該團(tuán)隊(duì)使用了Moku:Pro進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并利用Moku的云編譯功能自定義信號。Moku:Pro是一款基于FPGA的可重構(gòu)設(shè)備，提供了一套軟件定義的測試測量儀器。另外，云編譯功能在所有Moku設(shè)備上均有配備，允許用戶快速部署自定義的HDL代碼在FPGA上實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，既可以獨(dú)立使用，也可以與Moku套件中的其他儀器配合使用。在實(shí)驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)通過使用一個(gè)自定義模塊生成復(fù)雜的正弦波模式，并結(jié)合一種新穎的檢測方案，提高了基于NV色心的磁力計(jì)在室溫下的靈敏度。他們的研究成果最近發(fā)表在Physical Review Applied上。

研究背景與挑戰(zhàn)

金剛石氮空位（NV）色心是一種人工制備的量子缺陷。通過高能電子束或離子束輻照在金剛石中產(chǎn)生碳空位，再經(jīng)高溫退火使空位與摻雜的氮原子結(jié)合形成NV色心。NV色心在室溫下具有很高的穩(wěn)定性，可通過光學(xué)方式與微波精確操控。由于金剛石晶格的保護(hù)，NV色心對環(huán)境影響具有極強(qiáng)的耐受性—能在各種極端條件下正常工作。

利用NV色心探測磁場的一種方式是借助光探測磁共振（ODMR）這一過程。與傳統(tǒng)磁共振情況類似，當(dāng)對金剛石NV色心樣本施加一個(gè)微弱磁場時(shí)，自旋子能級之間會(huì)出現(xiàn)能級分裂現(xiàn)象，如圖1所示。同時(shí)，外部微波信號（頻率約為3 GHz）會(huì)促使基態(tài)自旋在這些子能級間發(fā)生躍遷。向該系統(tǒng)施加一束波長為532納米的激光脈沖，能夠?qū)⒆孕龔幕鶓B(tài)激發(fā)至第一激發(fā)態(tài)。在這一激發(fā)態(tài)下，NV色心展現(xiàn)出一種獨(dú)特行為：自旋選擇性衰變 。當(dāng)NV中心被激發(fā)時(shí)正好處于自旋為 0 的子能級，它弛豫回到基態(tài)時(shí)會(huì)發(fā)出熒光；若處于自旋為 -1或 +1的狀態(tài)，它是通過暗通道弛豫回到基態(tài)，不會(huì)發(fā)出熒光。因此，熒光信號的強(qiáng)度能夠反映出NV色心的自旋分布情況 。若微波驅(qū)動(dòng)頻率與自旋能級拉比振蕩頻率處于共振狀態(tài)，則自旋被激發(fā)至 +1 或 -1 態(tài)，熒光強(qiáng)度將隨之降低。由于外部磁場的擾動(dòng)會(huì)使自旋的共振頻率發(fā)生偏移，而這種偏移隨后會(huì)通過熒光信號的變化體現(xiàn)出來，所以可據(jù)此反映外部磁場的大小。

圖1：金剛石NV色心能級圖。上部：NV色心占據(jù)自旋為0、-1或 1的子能級。若被 532 納米的綠色激光激發(fā)，后續(xù)衰變路徑將取決于初始自旋狀態(tài)。下部：每個(gè)子能級根據(jù)氮原子核的狀態(tài)進(jìn)一步分為超精細(xì)能級，從而從自旋為0的基態(tài)開始，總共有6種躍遷路徑。

來自Ulbricht博士實(shí)驗(yàn)室的研究生Ali Tayefeh Younesi，在研究中開發(fā)了一種改進(jìn)的光探測磁共振（ODMR）方案。他沒有選擇直接從NV色心的自旋選擇性衰變過程收集熒光信號，而是額外將1042 nm的紅外探測激光輸入樣品，作用于暗通道路徑的單重態(tài)弛豫與吸收，探測信號的吸收取決于單重態(tài)粒子布居數(shù)。通過吸收而非熒光發(fā)射進(jìn)行測量，對比度更高，因而靈敏度也更高，而且硬件配置也更方便。這種紅外吸收方法在以往的研究中一直難以有效實(shí)施，因其通常需要借助低溫環(huán)境或通過腔體增強(qiáng)來克服低信噪比的問題。Ali和他的團(tuán)隊(duì)在研究中通過使用窄線寬的金剛石樣品以及使用 Moku的云編譯功能實(shí)現(xiàn)多頻同步激勵(lì)，為這一方法在室溫?zé)o腔體條件下的應(yīng)用找到了合適的解決辦法。

解決方案

為了使探測信號達(dá)到最佳的信噪比，研究團(tuán)隊(duì)最大限度地增加了可用的氮空位中心躍遷路徑數(shù)量。如圖1所示，在自旋為1的氮核（14N）與電子自旋的耦合作用下，NV色心的0→-1和0→+1自旋躍遷各自分裂為三個(gè)子能級，并產(chǎn)生約2 MHz的超精細(xì)分裂。不同于僅驅(qū)動(dòng)單一子能級的傳統(tǒng)方法，Ali使用Moku的云編譯平臺(tái)生成了一個(gè)包含六個(gè)獨(dú)立頻率分量的復(fù)合基帶信號，如圖2所示。該基帶信號隨后與2.87 GHz本地振蕩器混頻，以同步激發(fā)全部六個(gè)NV色心躍遷路徑。此外，他通過云編譯功能還為信號添加了頻率調(diào)制，使六個(gè)驅(qū)動(dòng)頻率能夠被同步掃描。當(dāng)這些頻率依次接近或脫離對應(yīng)NV躍遷的共振條件時(shí)，1042 nm探測激光的吸收率變化會(huì)被鎖相放大器捕獲，如圖2所示。最終，通過記錄電壓信號并基于塞曼效應(yīng)的線性關(guān)系，即可直接計(jì)算出外部磁場的強(qiáng)度。

圖 2：實(shí)驗(yàn)設(shè)置。上圖：光路設(shè)置示意圖，展示了施加在金剛石NV色心樣品上的泵浦（綠色）激光和探測（紅外）激光。下圖：用于驅(qū)動(dòng)NV色心躍遷路徑的多頻信號的頻譜圖。

Ali認(rèn)為Moku的云編譯功能以及Moku的數(shù)字化特性使得他能夠輕松地將多個(gè)頻率成分組合在一起，同時(shí)確保了適當(dāng)?shù)姆确秶拖辔煌剑@些是使用模擬信號的混頻器難以做到的。

Ali提到：“調(diào)制是同步的，這些都是通過Moku的云編譯功能完成的。”

通過其控制寄存器，Ali可以輕松地更改中心頻率、調(diào)制深度和頻率。另外，他還發(fā)現(xiàn)Moku平臺(tái)通過可重構(gòu)FPGA提供的許多其他儀器功能，如示波器和頻譜分析儀，對于實(shí)驗(yàn)中的信號調(diào)試和驗(yàn)證任務(wù)非常有用。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在測量設(shè)備和程序就緒后，Ali首先通過向樣品施加已知的脈沖磁場來校準(zhǔn)裝置，發(fā)現(xiàn)即使在很小的磁場（<1?T）下，磁力計(jì)也能將磁場的振幅測量誤差控制在3%以內(nèi)。

研究團(tuán)隊(duì)還進(jìn)行了第二項(xiàng)測試來測定靈敏度。通過收集鎖相放大器一段時(shí)間的輸出，計(jì)算出了磁場探測的功率譜密度。通過在微波驅(qū)動(dòng)器上進(jìn)行共振和非共振狀態(tài)的切換，可以量化非磁性噪聲的貢獻(xiàn)。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，該傳感器的噪聲下限為 18 pT/√Hz，部分原因是激光脈沖噪聲。盡管如此，這個(gè)數(shù)值仍代表了這種紅外吸收技術(shù)有史以來所記錄到的最高靈敏度。理論上，其單次脈沖噪聲靈敏度為 5 pT/√Hz，并有望通過增加紅外探測光功率進(jìn)一步降低這個(gè)噪聲。

Ali和他的同事們目前在不斷改進(jìn)他們基于NV色心的磁力計(jì)技術(shù)，并且Moku仍將作為他們實(shí)驗(yàn)裝置的重要組成部分而繼續(xù)發(fā)揮作用。

Ali表示：“在實(shí)驗(yàn)室里擁有一臺(tái)這樣的小巧便攜的設(shè)備真是太好了，只需一臺(tái)設(shè)備，你就能擁有所需的所有工具。”

除了Ulbricht博士帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中使用到的這些功能，Moku還提供了PID控制模塊可以實(shí)現(xiàn)激光功率的穩(wěn)定控制，以及激光鎖頻/穩(wěn)頻模塊可以實(shí)現(xiàn)激光頻率的高效穩(wěn)定鎖定，還有時(shí)間間隔與頻率分析儀可以實(shí)現(xiàn)熒光光子信號的收集和計(jì)數(shù)，這些多樣的儀器功能為其在金剛石NV色心實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的進(jìn)一步應(yīng)用提供了可能。

一臺(tái)Moku硬件設(shè)備=一套量子測控平臺(tái)

在實(shí)際構(gòu)建量子信息處理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)過程中，激光光源的不穩(wěn)定性、不同設(shè)備與信號之間的同步，以及噪聲背景下微弱信號的提取等問題都為實(shí)驗(yàn)的實(shí)際實(shí)現(xiàn)帶來了挑戰(zhàn)。比如在常見的量子比特控制實(shí)驗(yàn)中，我們不僅需要使用到不同波段的激光，還需要生成特定的脈沖序列來對量子比特施加具體的調(diào)控。這一過程要求我們使用的激光具有穩(wěn)定的頻率和功率，并且生成的脈沖信號需要被精準(zhǔn)地定時(shí)以及同步。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中，通常需要引入大量的外圍設(shè)備，如鎖相放大器、PID控制器、任意波形發(fā)生器等來解決量子比特控制中的激光穩(wěn)定、信號定時(shí)以及設(shè)備同步問題。然而，這些傳統(tǒng)的測試測量設(shè)備功能單一，靈活度低，會(huì)占據(jù)大量實(shí)驗(yàn)室空間，設(shè)備之間互連還會(huì)引入額外的噪聲，無法高效地解決我們實(shí)驗(yàn)部署時(shí)實(shí)際遇到的挑戰(zhàn)。

而Moku基于可重構(gòu)FPGA硬件結(jié)合軟件定義儀器技術(shù)，將超過15種儀器功能被集成在一個(gè)硬件上，在實(shí)驗(yàn)中不僅可以靈活切換儀器功能，還可以組建自定義的測試測量系統(tǒng)，為量子信息等復(fù)雜實(shí)驗(yàn)中提供了更加靈活方便的測控一體化解決方案。

最新發(fā)布Moku:Delta硬件，允許同時(shí)運(yùn)行高達(dá)8個(gè)儀器功能，對于量子比特控制實(shí)驗(yàn)中的這類復(fù)雜的測試測量系統(tǒng)我們可以僅通過一臺(tái)Moku設(shè)備就實(shí)現(xiàn)輕松部署。值得一提的是，Moku內(nèi)部多儀器并行時(shí)，所有儀器都共享一個(gè)時(shí)鐘源，這樣可以獲得很好的儀器同步性，實(shí)現(xiàn)儀器之間的精準(zhǔn)時(shí)序控制。另外，Moku內(nèi)部儀器之間的信號連接和時(shí)鐘總線采用全數(shù)字鏈路，可以減少物理連線和轉(zhuǎn)接頭的使用，提高信號保真度，減少信號失真和頻率/相位漂移為實(shí)驗(yàn)帶來的不利影響，提高系統(tǒng)抗干擾能力。

在下一篇文章，我們將探討在量子比特控制實(shí)驗(yàn)中，如何在Moku設(shè)備上部署激光鎖頻/穩(wěn)頻器以及PID控制器對激光進(jìn)行頻率和功率穩(wěn)定的同時(shí)，使用任意波形發(fā)生器生成穩(wěn)定的脈沖控制序列，同時(shí)還能部署示波器、鎖相放大器等信號檢測單元對控制輸出進(jìn)行監(jiān)控和反饋。敬請關(guān)注昊量光電獲取最新更新。

參考文獻(xiàn)

[1] Ali Tayefeh Younesi, Muhib Omar, Arne Wickenbrock, Dmitry Budker, and Ronald Ulbricht, "Towards high-sensitivity magnetometry with nitrogen-vacancy centers in diamond using the singlet infrared absorption", Phys. Rev. Appl. 23, 054019 (2025).