量子信息科学研究人员面临的最大难题之一是量子比特系统固有的不稳定性。量子叠加态本质上很脆弱，因为来自量子比特局部环境的任何干扰，包括热激发、机械振动或杂散电磁场，都可能产生有害影响。这些嘈杂的量子比特往往会以更高的频率产生错误，而主动纠错对于任何潜在的大规模量子计算机来说都是一项严格的要求。
相比之下，量子传感是量子信息科学 (QIS) 的另一个子领域，旨在将这一重大障碍转化为优势。量子比特对其环境极其敏感，因此量子比特也能成为优秀的传感器。 原子系统 就像被捕获的离子和中性原子可以作为优秀的电磁场计、重力仪和力计一样，最流行的磁场感应系统之一涉及被捕获在金刚石晶格内的缺陷。
由...领导的研究小组 罗纳德·乌布利希博士 的展览。 马克斯普朗克聚合物研究所 德国美因茨的一家公司正在研究提高固态磁力仪灵敏度的新技术。为了进行这项研究，该团队使用了 Moku:Pro，这是一款可重构设备，提供一套软件定义的测试和测量仪器。具体来说，该团队利用 Moku 云编译，一款适用于所有 Moku 设备的工具，允许用户快速部署自定义 FPGA 功能，可以独立使用，也可以与 Moku 套件中的任何其他仪器配合使用。该团队使用自定义模块生成复杂的正弦波模式，并结合新颖的检测方案，提高了基于 NV 中心的磁力仪的室温灵敏度。他们的研究成果最近发表在 物理复习应用.
挑战
当金刚石样品受到电子辐照时，少量碳原子从晶格中脱离出来，形成带负电荷的氮空位 (NV) 中心。当样品被加热到高温时，这些空位会与自然产生的氮原子结合，形成 NV 中心。它们具有许多优异的特性，例如室温下的高稳定性以及可光寻址的特性。此外，被包裹在金刚石晶格中意味着它们对环境具有极强的耐受性——能够在各种极端条件下工作。
利用NV中心探测磁场的一种方法是通过一种称为光学检测磁共振（ODMR）的过程。与传统磁共振类似，将一个小磁场施加到NV样品上，导致自旋亚能级之间发生能量分裂，如图1所示，然后用微波信号（约3 GHz）驱动这些亚能级之间的跃迁。向系统施加532 nm激光脉冲会将自旋从基态激发到第一个激发态，在该激发态中，它们会表现出NV中心独有的行为：自旋选择性衰减。如果NV中心在激发时处于自旋0亚能级，那么它会发出荧光并弛豫回到基态。如果它处于自旋(-1)或自旋1态，它就不会发出荧光，而是通过暗通道弛豫回到基态。因此，荧光信号的强度可以提供有关NV中心自旋态分布的信息。如果微波驱动处于共振状态，则随着自旋被驱动到+/- 1态，荧光会减弱。外部磁场扰动会改变自旋的共振频率，从而反映在荧光信号的变化中。
图 1：NV 能级图。上图：NV 中心占据自旋子能级 0、-1 或 1。如果用 532 nm 绿光激光激发，后续衰变路径取决于初始自旋态。下图：每个 NV 子能级根据氮原子核的状态进一步划分为超精细能级，从自旋 0 态开始共产生六个跃迁。
Ulbricht 博士实验室的研究生 Ali Tayefeh Younesi 在他的研究中开发了一种改进的 ODMR 方案。他不再依赖于从 NV 中心收集荧光，而是决定将红外探测信号应用于暗通道路径，探测信号的吸收取决于粒子群。通过吸收而非发射进行测量可以实现更高的对比度，从而提高灵敏度，同时在某些硬件配置下也更加便捷。这种红外吸收方法历来难以有效实施，需要低温或腔体增强来克服低信噪比 (SNR)。Ali 和他的团队已经找到了解决这些缺点的方案，使用窄线宽金刚石样品以及多频激发 Moku 云编译.
解决方案
为了从探测信号中获得最佳保真度，团队最大化了可用的NV中心跃迁数量。如图1所示，由于自旋为0的氮核的存在，1→-0和1→1自旋跃迁各自包含三个子能级，该氮核与电子自旋相互作用，产生约2 MHz的额外超精细分裂。Ali没有选择其中一个子能级进行驱动，而是使用Moku Cloud Compile生成了一个包含六个独立频率分量的复杂基带信号。该基带信号（如图2所示）随后与一个2.78 GHz的本振混频，以同时处理所有六个NV中心跃迁。同样使用Moku Cloud Compile，他添加了频率调制，以便所有六个驱动频率可以同步扫描。当这些信号与其各自的 NV 中心跃迁共振时，吸收的变化会印在 1042 nm 探测激光器上，并可通过锁相放大器轻松检测到，如图 2 所示。一旦记录了电压数据，就可以通过简单的线性方程轻松计算出施加的磁场的值。
图 2：实验实施。上图：光学装置，显示激发（绿光）激光和探测（红外）激光作用于金刚石样品。微波信号生成链未显示。下图：用于驱动 NV 中心的多频信号的光谱分布。
Ali 认为 Moku Cloud Compile 和 Moku 的数字特性使他能够顺利地组合多个频率成分，同时确保适当的幅度缩放和相位同步，而这对于模拟信号组合器来说很难做到。
“调制是同步的，一切都是通过 Moku Cloud Compile 完成的，”他说。
利用控制寄存器，他可以轻松更改中心频率以及调制深度和频率。他还发现了可重构 Moku 平台的许多其他仪器，例如 示波器 以及 频谱分析仪, 有助于实验室周围的调试和信号验证任务。
结果
在测量程序到位后，阿里首先通过对样品施加已知脉冲磁场来校准装置，发现即使在较小的磁场（<1 𝜇T）下，磁力仪也可以测量 3% 以内的磁场幅度。
第二项测试是为了确定灵敏度。在设定的时间段内收集锁相放大器的输出后，计算功率谱密度。通过调节微波驱动器的谐振频率，可以量化非磁性噪声的贡献。研究小组发现，该传感器的本底噪声为 18 pT/√Hz，部分原因是激光散粒噪声。尽管如此，这一数值代表了该红外吸收技术有史以来的最高灵敏度。由于理论散粒噪声灵敏度为 5 pT√Hz，因此该噪声系数还有进一步降低的潜力。
当阿里和他的同事继续改进他们的磁力仪技术时，Moku 将继续成为他们实验装置的重要组成部分。
他说：“这是一款非常适合实验室使用的紧凑型工具，只需一个设备，你就能拥有所需的所有工具。” 阅读该团队的完整论文 点击此处。
马克斯普朗克聚合物研究所的 Moku:Pro。照片由 Ali Tayefeh Younesi 提供。
