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利用實時控制提高NV色心測試

簡介：

量子計算，量子通信及量子度量學所面臨的困難是巨大的，任何一個物理比特都與周圍環境有各種各樣的相互作用。而這種技術所依賴的量子資源（相干性，糾纏等等）對于環境的擾動是非常敏感的，在很短的時間內，制備的量子態的相干性和糾纏就會消失殆盡。人們想出了很多辦法來克服這個問題，大致可分為兩類。一種就是實現快速操作。也就是說在退相干時間前完成所有的比特操作。另一種就是延長退相干的時間。此篇文獻利用實時反饋控制，控制蘇黎世儀器的HDAWG產生序列脈沖波型，減少測量數量，達到快速操作的目的。

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背景介紹設置描述實時通訊結論相關產品優勢相關產品

背景介紹

相關產品：HDAWG，SHFSG

背景介紹

實時反饋控制通常可以加速量子實驗、提高精確性或實現新方法。一個例子是自適應傳感和表征，它使用反饋來最大限度地減少估計給定數量所需的測量數量。我們赫瑞瓦特大學（蘇格蘭愛丁堡）的Cristian Bonato 教授團隊的客戶最近在基于 NV 中心的自旋量子位上演示了這種方法，并且比起非自適應方法，在估計量子位退相干時間尺度速度提高了一個數量級。在這篇博文中，Muhammad Junaid Arshad 博士、Christiaan Bekker 博士和 Ben Haylock 博士分享了對 Zurich Instruments HDAWG 任意波形發生器的見解。

圖 1：自適應退相干估計實驗的示意圖。 HDAWG 用于操縱 NV 中心自旋狀態。自旋態通過雪崩光電二極管 (APD) 進行光學測量。微控制器使用光子計數率來估計退相干時間尺度的值并計算下一次測量的最佳探測時間 τ。

圖 1 所示的過程基于貝葉斯推論，其中感興趣參數的概率分布（例如退相干時間尺度T2的p(T₂）在每次測量結果mi之后通過貝葉斯規則進行更新

概率 p(mi |T2)（稱為似然）描述了在給定退相干時間尺度 T 2的情況下檢測到測量結果 m i的概率，其衰減按照對數規律減少。

每次測量后，概率分布用于計算最佳實驗設置（在本例中為下一次測量的探測時間 τ）。這可以通過多種方式來完成。在這里，研究人員選擇利用 Cramer-Rao 界并最大化 Fisher 信息，該信息描述了概率分布對給定參數的依賴程度。

使用實驗設置的快速實時適應是一種有效表征量子系統及其動力學的有前景的技術，其應用范圍從量子傳感到量子設備的表征。例如，自適應技術可用于使用單個電子自旋作為微型量子傳感器來加速磁場測量

圖 2：實驗裝置中的光學、微波和電子硬件示意圖。插圖顯示了 NV 中心在兩種自旋狀態之一下制備的光子到達時間的直方圖。

設置描述

在圖 2 所示的實驗設置中，微控制器（AdWin Pro II，Jaeger Messtechniek GmbH）存儲概率分布，根據測量結果應用貝葉斯規則，并計算最佳探測時間 τ。然后，微控制器通過其 DIO 端口將最佳探測時間的值饋送到 HDAWG，通過 DIO 位發出可用的新值信號。HDAWG 讀取該值并相應地構建脈沖序列，該序列由兩個間隔時間 τ 的 π/2 脈沖組成。生成的信號被上轉換為與電子自旋躍遷共振的微波頻率，然后放大并發送到樣品。

用光學方法讀出NV 中心自旋，通過用綠色激光脈沖激發它，并檢測發射的光致發光。兩種自旋本征態之一可以在光學照射下陷入亞穩態，導致較低的光致發光強度，從而實現與自旋相關的亮度。單次讀出在室溫實驗中不可用，因此我們需要重復實驗 R 次：包含光子數 r 的信號由微控制計數器在 R 次重復中檢測到[2]。有關實驗設置的更多詳細信息可以在手稿的附錄中找到。

用光學方法讀出NV 中心自旋，通過用綠色激光脈沖激發它，并檢測發射的光致發光。兩種自旋本征態之一可以在光學照射下陷入亞穩態，導致較低的光致發光強度，從而實現與自旋相關的亮度。單次讀出在室溫實驗中不可用，因此我們需要重復實驗 R 次：包含光子數 r 的信號由微控制計數器在 R 次重復中檢測到。有關實驗設置的更多詳細信息可以在手稿的附錄中找到。

實時通訊

實時通訊

Zurich Instruments HDAWG 和微控制器之間的交互是通過 32 位 DIO 連接完成的。對于 HDAWG，前三個 8 位總線配置為輸入，第四個設置為輸出。微控制器使用第一條總線來標記何時更新參數值、何時準備好供 HDAWG 使用，以及對序列應用布爾設置（例如，使用 π 脈沖？真/假）。第二和第三總線各自用于傳送HDAWG將其解釋為實驗設置的值（例如微波脈沖長度或激光脈沖之間的延遲）。 HDAWG 使用最后一條總線在運行序列或等待微控制器更新下一次測量運行的值時發出信號

圖三.代表著適應實驗流程的流程圖

序列編程

典型的序列從初始化實驗常數和波的段開始。初始化完成后，序列進入do-while循環，并發出信號表示已經準備好開展測量

do {

// Waiting for the ADwin to be ready, AWG is ready at this point

setDIO(1<<AWG_ready_pin);

然后，HDAWG等待微控制器指示它已準備好與測量參數通信，使用waitDIOTrigger（），并捕獲這些值，使用getDIO（）：

waitDIOTrigger();

var dio = getDIO();

然后根據所執行的測量對輸入參數進行解釋。例如，在Ramsey測量[1]的情況下，微控制器給出的兩個π/2微波脈沖之間的延遲的編碼的輸入參數。

// get the value of the delay length (parameter we are trying to sweep with ADwin) wait(10);

var t1_delay = (dio>>ADwin_para) & 0xFF;

一旦定義了該值，它就會通過playZero（）指令用作脈沖序列中的延遲，并實現縮放因子以將8位值轉換為正確的波形長度。這使得延遲在運行時之前完全是任意的

setTrigger(AOM_channel);

wait(Cycles_rect);

setTrigger(0);

repeat(n_pulses)

{ playZero(Samples_wait_after_pulse);

resetOscPhase();

setSinePhase(0, 0);

setSinePhase(1, 90+IQ_phase_correction);

playWave(I_channel,w_mw_pi_padded,Q_channel,w_mw_pi_padded*IQ_factor); playZero(t1_delay*scaling_factor-Sample_wait_between_mw_pulses-padding); playZero(Sample_wait_between_mw_pulses);

waitWave();

playWave(I_channel,w_mw_pi_padded,Q_channel,w_mw_pi_padded*IQ_factor); playZero(Samples_wait_after_pulse);

waitWave(); }

在代碼中，微控制器的不同計數通道之間的切換是使用Marker通道實現的（即上面示例中的setTrigger()）。一旦所需的脈沖序列數量被播放，HDAWG就會向微控制器發出完成的信號：

// Send DIO finished to ADwin

setDIO(1<<AWG_done_pin);

wait(Cycles_sequence_wait);

} while (True)

然后序列處理器返回到序列開頭的do-while循環，等待來自微控制器的下一個測量序列的參數。序列設置的方式意味著HDAWG 不需要知道如何確定每個測量的參數（例如通過參數掃描或自適應貝葉斯更新協議），也不需要知道需要多少個測量序列。一旦完成所需的一組測量，微控制器就會向 LabOne Python API 發出信號以停止 HDAWG 序列。同樣，微控制器不需要知道測量的脈沖序列，而只需知道在給定測量的信號計數的情況下如何更新所研究的退相干率的預期值。

此序列中使用的交接協議意味著 HDAWG 和微控制器之間不需要快速同步。當一臺儀器繁忙時，它將關閉其“就緒”指示并繼續其過程，直到需要另一臺儀器的輸入為止。當到達這一點時，它進入等待循環并打開其“就緒”指示。這允許其他儀器使用發送的新信息啟動其過程，直到它可以提供反饋信息。由于沒有瞬態信號，儀器之間的切換順利進行，并且一旦所需的信息準備好，就會啟動該過程的每個部分。