德国马普高分子研究所使用Moku:Pro实现基于NV色心的磁场测量

量子信息科学研究面临的最大困难之一是量子比特系统固有的不稳定性。量子叠加态本质上是脆弱的，因为来自局部环境的任何干扰，包括热激发、机械振动或杂散电磁场，都可能对量子态的相干性产生有害影响。这些噪声环境下的量子比特往往会产生更高的错误率，而主动纠错对于任何可能实现的大规模量子计算机来说都是一个严格的要求。

相比之下，量子信息科学的另一个分支领域，量子传感，旨在将这一障碍转化为优势。由于量子比特对环境参数极为敏感，这也使其具备实现高灵敏度传感器的潜力。尽管像离子阱和中性原子这样的原子系统在电磁场测量、重力测量和加速度传感等领域展现了出色的性能，但对于磁场传感，目前最流行系统之一是利用被束缚在金刚石晶格内的氮空位缺陷构建量子比特，实现高精度的磁力测量。

由德国Max-Plank高分子研究所的Ronald Ulbricht博士领导的研究团队正致力于研究增强这类固态磁力计灵敏度的新技术。在开展研究的过程中，该团队使用了Moku:Pro进行实验，并利用Moku的云编译功能自定义信号。Moku:Pro是一款基于FPGA的可重构设备，提供了一套软件定义的测试测量仪器。另外，云编译功能在所有Moku设备上均有配备，允许用户快速部署自定义的HDL代码在FPGA上实现相应的功能，既可以独立使用，也可以与Moku套件中的其他仪器配合使用。在实验中，该团队通过使用一个自定义模块生成复杂的正弦波模式，并结合一种新颖的检测方案，提高了基于NV色心的磁力计在室温下的灵敏度。他们的研究成果最近发表在Physical Review Applied上。

研究背景与挑战

金刚石氮空位（NV）色心是一种人工制备的量子缺陷。通过高能电子束或离子束辐照在金刚石中产生碳空位，再经高温退火使空位与掺杂的氮原子结合形成NV色心。NV色心在室温下具有很高的稳定性，可通过光学方式与微波精确操控。由于金刚石晶格的保护，NV色心对环境影响具有极强的耐受性—能在各种极端条件下正常工作。

利用NV色心探测磁场的一种方式是借助光探测磁共振（ODMR）这一过程。与传统磁共振情况类似，当对金刚石NV色心样本施加一个微弱磁场时，自旋子能级之间会出现能级分裂现象，如图1所示。同时，外部微波信号（频率约为3 GHz）会促使基态自旋在这些子能级间发生跃迁。向该系统施加一束波长为532纳米的激光脉冲，能够将自旋从基态激发至第一激发态。在这一激发态下，NV色心展现出一种独特行为：自旋选择性衰变 。当NV中心被激发时正好处于自旋为 0 的子能级，它弛豫回到基态时会发出荧光；若处于自旋为 -1或 +1的状态，它是通过暗通道弛豫回到基态，不会发出荧光。因此，荧光信号的强度能够反映出NV色心的自旋分布情况 。若微波驱动频率与自旋能级拉比振荡频率处于共振状态，则自旋被激发至 +1 或 -1 态，荧光强度将随之降低。由于外部磁场的扰动会使自旋的共振频率发生偏移，而这种偏移随后会通过荧光信号的变化体现出来，所以可据此反映外部磁场的大小。

图1：金刚石NV色心能级图。上部：NV色心占据自旋为0、-1或 1的子能级。若被 532 纳米的绿色激光激发，后续衰变路径将取决于初始自旋状态。下部：每个子能级根据氮原子核的状态进一步分为超精细能级，从而从自旋为0的基态开始，总共有6种跃迁路径。

来自Ulbricht博士实验室的研究生Ali Tayefeh Younesi，在研究中开发了一种改进的光探测磁共振（ODMR）方案。他没有选择直接从NV色心的自旋选择性衰变过程收集荧光信号，而是额外将1042 nm的红外探测激光输入样品，作用于暗通道路径的单重态弛豫与吸收，探测信号的吸收取决于单重态粒子布居数。通过吸收而非荧光发射进行测量，对比度更高，因而灵敏度也更高，而且硬件配置也更方便。这种红外吸收方法在以往的研究中一直难以有效实施，因其通常需要借助低温环境或通过腔体增强来克服低信噪比的问题。Ali和他的团队在研究中通过使用窄线宽的金刚石样品以及使用 Moku的云编译功能实现多频同步激励，为这一方法在室温无腔体条件下的应用找到了合适的解决办法。

解决方案

为了使探测信号达到最佳的信噪比，研究团队最大限度地增加了可用的氮空位中心跃迁路径数量。如图1所示，在自旋为1的氮核（14N）与电子自旋的耦合作用下，NV色心的0→-1和0→+1自旋跃迁各自分裂为三个子能级，并产生约2 MHz的超精细分裂。不同于仅驱动单一子能级的传统方法，Ali使用Moku的云编译平台生成了一个包含六个独立频率分量的复合基带信号，如图2所示。该基带信号随后与2.87 GHz本地振荡器混频，以同步激发全部六个NV色心跃迁路径。此外，他通过云编译功能还为信号添加了频率调制，使六个驱动频率能够被同步扫描。当这些频率依次接近或脱离对应NV跃迁的共振条件时，1042 nm探测激光的吸收率变化会被锁相放大器捕获，如图2所示。最终，通过记录电压信号并基于塞曼效应的线性关系，即可直接计算出外部磁场的强度。

图 2：实验设置。上图：光路设置示意图，展示了施加在金刚石NV色心样品上的泵浦（绿色）激光和探测（红外）激光。下图：用于驱动NV色心跃迁路径的多频信号的频谱图。

Ali认为Moku的云编译功能以及Moku的数字化特性使得他能够轻松地将多个频率成分组合在一起，同时确保了适当的幅度范围和相位同步，而这些是使用模拟信号的混频器难以做到的。

Ali提到：“调制是同步的，这些都是通过Moku的云编译功能完成的。”

通过其控制寄存器，Ali可以轻松地更改中心频率、调制深度和频率。另外，他还发现Moku平台通过可重构FPGA提供的许多其他仪器功能，如示波器和频谱分析仪，对于实验中的信号调试和验证任务非常有用。

实验结果

在测量设备和程序就绪后，Ali首先通过向样品施加已知的脉冲磁场来校准装置，发现即使在很小的磁场（<1?T）下，磁力计也能将磁场的振幅测量误差控制在3%以内。

研究团队还进行了第二项测试来测定灵敏度。通过收集锁相放大器一段时间的输出，计算出了磁场探测的功率谱密度。通过在微波驱动器上进行共振和非共振状态的切换，可以量化非磁性噪声的贡献。研究团队发现，该传感器的噪声下限为 18 pT/√Hz，部分原因是激光脉冲噪声。尽管如此，这个数值仍代表了这种红外吸收技术有史以来所记录到的最高灵敏度。理论上，其单次脉冲噪声灵敏度为 5 pT/√Hz，并有望通过增加红外探测光功率进一步降低这个噪声。

Ali和他的同事们目前在不断改进他们基于NV色心的磁力计技术，并且Moku仍将作为他们实验装置的重要组成部分而继续发挥作用。

Ali表示：“在实验室里拥有一台这样的小巧便携的设备真是太好了，只需一台设备，你就能拥有所需的所有工具。”

除了Ulbricht博士带领的研究团队在实验中使用到的这些功能，Moku还提供了PID控制模块可以实现激光功率的稳定控制，以及激光锁频/稳频模块可以实现激光频率的高效稳定锁定，还有时间间隔与频率分析仪可以实现荧光光子信号的收集和计数，这些多样的仪器功能为其在金刚石NV色心实验平台的进一步应用提供了可能。

一台Moku硬件设备=一套量子测控平台

在实际构建量子信息处理实验系统过程中，激光光源的不稳定性、不同设备与信号之间的同步，以及噪声背景下微弱信号的提取等问题都为实验的实际实现带来了挑战。比如在常见的量子比特控制实验中，我们不仅需要使用到不同波段的激光，还需要生成特定的脉冲序列来对量子比特施加具体的调控。这一过程要求我们使用的激光具有稳定的频率和功率，并且生成的脉冲信号需要被精准地定时以及同步。在传统的实验中，通常需要引入大量的外围设备，如锁相放大器、PID控制器、任意波形发生器等来解决量子比特控制中的激光稳定、信号定时以及设备同步问题。然而，这些传统的测试测量设备功能单一，灵活度低，会占据大量实验室空间，设备之间互连还会引入额外的噪声，无法高效地解决我们实验部署时实际遇到的挑战。

而Moku基于可重构FPGA硬件结合软件定义仪器技术，将超过15种仪器功能被集成在一个硬件上，在实验中不仅可以灵活切换仪器功能，还可以组建自定义的测试测量系统，为量子信息等复杂实验中提供了更加灵活方便的测控一体化解决方案。

最新发布Moku:Delta硬件，允许同时运行高达8个仪器功能，对于量子比特控制实验中的这类复杂的测试测量系统我们可以仅通过一台Moku设备就实现轻松部署。值得一提的是，Moku内部多仪器并行时，所有仪器都共享一个时钟源，这样可以获得很好的仪器同步性，实现仪器之间的精准时序控制。另外，Moku内部仪器之间的信号连接和时钟总线采用全数字链路，可以减少物理连线和转接头的使用，提高信号保真度，减少信号失真和频率/相位漂移为实验带来的不利影响，提高系统抗干扰能力。

在下一篇文章，我们将探讨在量子比特控制实验中，如何在Moku设备上部署激光锁频/稳频器以及PID控制器对激光进行频率和功率稳定的同时，使用任意波形发生器生成稳定的脉冲控制序列，同时还能部署示波器、锁相放大器等信号检测单元对控制输出进行监控和反馈。敬请关注昊量光电获取最新更新。

参考文献

[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).