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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010817380.3 (22)申请日 2020.08.14 (71)申请人 中北大学 地址 030051 山西省太原市尖草坪区学院 路3号 (72)发明人 刘俊唐军李中豪郭浩 刘文耀温焕飞马宗敏周彦汝 崔凌霄张健潘鼎文 (51)Int.Cl. H03K 5/01(2006.01) (54)发明名称 一种实现高分辨率量子传感的脉冲整形算 法 (57)摘要 本发明涉及量子检测的微波脉冲领域， 具体 涉及一种实现高分辨率量子传感的脉冲整形算 法， 可应用于实现电子自旋的高光谱分。
2、辨、 高频 率分辨率交流磁场检测以及特定核磁共振信号 的检测， 本发明利用NV色心对磁信号和微波信号 变化的高敏感度， 通过算法改变脉冲电压幅值， 能够突破现有信号发生器的自身硬件最高时间 分辨率的限制， 在高速量子操控中， 实现更精确 的量子相位翻转及控制。 该方法实现简单， 提升 谱信噪比的同时还可以增强其应用于量子传感 器的响应灵敏度， 特别适用于需要多个脉冲量 子动态解耦技术以及高保真度量子调控领域当 中。 权利要求书2页 说明书4页 附图2页 CN 112003592 A 2020.11.27 CN 112003592 A 1.一种实现高分辨率量子传感的脉冲整形算法， 其特征在于， 。
3、包括以下步骤： S1： 以列序为主的数组的数据使用前， 对所述数组的所有行从小到大进行编号， 同时将 其编号另起一列存入数组中； S2： 当所述数组的行数编号完成后， 将所述行编号与时间分辨率相乘的结果作为时间 变量； S3： 当需计算的时间不为时间分辨率整数倍时， 我们在转换为行数时以四舍五入为原 则进行处理； S4： 在转换后所对应的行数处输入的幅值是以转换前的时间所计算而得； S5： 使用的高斯脉冲为其中 为单个高斯脉冲中的左右幅值降至的时 间长度,t0为单个高斯脉冲的中心对称轴， t为时间分辨率的增量； t0c* ， 其中系数c可 根据实验所需条件调整单个周期的高斯脉冲长度。 2.根据。
4、权利要求1所述的一种实现高分辨率量子传感的脉冲整形算法， 其中脉冲有效 宽度为其单个完整脉冲的半高全宽， 令单次脉冲时长为tpw， 半高全宽为tFWHM， 则tpw2*t0， 3.根据权利要求1所述的一种实现高分辨率量子传感的脉冲整形算法， 其特征在于， 绘 制金刚石NV色心Rabi频率曲线的具体方法如下： a.首先调试量子调控系统， 我们使用低浓度的金刚石NV色心， 使用功率为15毫瓦的激 光， 选用某一型号任意波形发生器， 设置任意波形发生器的微波电压幅值为1.5v， 设置为IQ 调制模式， 采样率设置为任意波形发生器的最大值2.5Gs/s， 将任意波形发生器的基频设置 为所记录共振峰对应。
5、频率， 使用的微波功率放大器增益为20dBm； b.设置同步系统的TTL信号的时序， 每周期初始化激光时长为50us， 关断时间为6us， 初 始化激光的上升沿信号为Readout信号， 序列周期为400个脉冲周期， 通过改变幅值生成的 高时间分辨率高斯脉冲脉宽从0.2ns步进到80ns； 将制作好的序列加载至任意波形发生器 的一个通道并执行运行； c.接着进行Rabi振荡实验， 使用数据采集卡采集光电探测器输出端数据； d.通过编写算法， 求解各周期微波频率下的荧光强度值； 对于任一周期脉冲数求和为 将每一脉冲周期的数据段首部去掉6个无用的上升沿数据点， 即 为保证信噪比， 再求均值得出结果。
6、为这个周期 微波频率下的荧光强度值； e.处理后的全部脉冲周期的荧光强度数据绘图即为Rabi振荡谱； f.重复步骤b至步骤e， 比较普通高斯脉冲和高分辨率高斯脉冲测得的Rabi谱数据。 4.根据权利要求1所述的一种实现高分辨率量子传感的脉冲整形算法， 其特征在于， 适 用于垂直分辨率高的任意波形发生器， 可使用于任意编程环境中， 脉冲幅值数据存储采用 以列序为主的数组存储方式， 按照行号从小到大的顺序， 依次存储每一时刻的数据， 当以列 权利要求书 1/2 页 2 CN 112003592 A 2 序为主的数组中无所选择的脉冲频率数据， 将行值为1的列中的存储数据替换为新数据。 权利要求书 2。
7、/2 页 3 CN 112003592 A 3 一种实现高分辨率量子传感的脉冲整形算法 技术领域 0001 本发明涉及量子检测的微波脉冲领域， 具体涉及一种实现高分辨率量子传感的脉 冲整形算法。 背景技术 0002 近年来， 脉冲整形应用于量子调控和量子传感的动态解耦光谱学、 核自旋的纳米 光谱等新兴领域， 具有提高信号灵敏度的作用； 最简单的序列由一系列的周期性方波脉冲 组成， 可以在非常宽的频率范围内激发自旋， 但不具备选择性激发的能力， 故常采用脉冲整 形， 应用于高分辨率量子传感， 令重复时间为 ， 对于众多的脉冲数N， 序列的光谱响应类似 于窄带滤波器的频谱响应， 其带宽为(1/N 。
8、)， 中心频率为1/(2 )， 能抑制与重复时间相对应 的频率以外的所有频率上的噪声， 若调整 使其在特定频率下与信号共振， 其频率为Fac1/ 2 ， 在提高噪声抑制作用的同时， 可以提高信号的灵敏度。 0003 当使用多个控制脉冲时， 滤波器带宽会变窄， 因此重复时间 必须精确设置为信号 频率Fac1/2 ， 但对于任意信号发生器硬件， 只能以采样率对应的时间t的增量进行调整， 这在实验过程中会限制频率的分辨率； 具体地说， 当检测到具有频率Fac的信号时， 最小频率 增量由下式给出： 0004 0005 在我们的实验过程中， 用于控制自旋量子位和超导的任意波形发生器具有典型的 2.5GS。
9、/s的采样率， 对应于时间分辨率为ts0.4ns， 在高频下操作时， 这种固定的时间分辨 率无法满足实验需求， 由于电子瓶颈的限制， 如果直接在频域内产生短脉冲信号， 将会受到 带宽的限制而带来许多技术问题， 从而提高大量成本； 虽然存在采样率较高的脉冲发生器， 但价格昂贵且基本只能勉强达到足够的时间分辨率， 硬件的时间采样率是量子调控实验的 一个严重限制。 发明内容 0006 为解决上述技术问题， 本发明提供一种实现高分辨率量子传感的脉冲整形算法， 具体步骤如下： 0007 S1： 以列序为主的数组数据使用前， 对所有行从小到大进行编号， 同时对其编号另 起一列存入数组中； 0008 S2：。
10、 以列序为主的数组的行数编号完成后， 将该行编号与时间分辨率相乘的结果 作为时间变量； 0009 S3： 在转换为行数的过程中， 当需计算的时间不为时间分辨率整数倍时， 对行数以 四舍五入为原则进行处理； 0010 S4： 在转换后所对应的行数处输入的幅值是以转换前的时间所计算而得； 说明书 1/4 页 4 CN 112003592 A 4 0011S5： 使用的高斯脉冲为其中 为单个高斯脉冲中的左右幅值降至 的时间长度， t0为单个高斯脉冲的中心对称轴， t为时间分辨率的增量； 0012 进一步地， t0c* ， 其中系数c可根据实验所需条件调整单个周期的高斯脉冲长 度； 脉冲有效宽度为其单。
11、个完整脉冲的半高全宽， 令单次脉冲时长为tpw， 半高全宽为tFWHM， 则tpw2*t0， 0013 通过绘制低浓度样品状态的金刚石NV色心的Rabi频率曲线来测试改良后脉冲的 效果， 具体方法如下： 0014 a.首先调试系统， 设置激光强度为15毫瓦， 设置某一型号任意波形发生器的微波 电压幅值为1.5v， 基频设置为2.73GHz， 使用的微波功率放大器增益为20dBm， 将任意波形发 生器设置为IQ调制模式， 采样率设置为任意波形发生器的最大值2.5Gs/s， 采用低浓度金刚 石， 进行实验； 0015 b.设置同步系统的TTL信号的时序， 每一周期初始化激光时长为50us， 关断时。
12、间为 6us， 初始化激光的上升沿信号为Readout信号， 序列周期为400个脉冲周期， 通过改变幅值 生成的高时间分辨率高斯脉冲脉宽从0.2ns步进到80ns， 将制作好的序列加载至任意波形 发生器的一个通道并执行运行， 信号发生器将微波脉冲信号发送至射频功率放大器， 微波 脉冲信号经射频功率放大器放大后通过共振天线施加到低浓度的金刚石NV色心上； 0016 c.接着进行Rabi振荡实验， 使用数据采集卡采集光电探测器输出端数据； 0017 d.通过编写算法， 求解各周期微波频率下的荧光强度值， 对于任一周期脉冲数求 和为将每一脉冲周期的数据段首部去掉6个无用的上升沿数据点， 即为保证信噪。
13、比， 再求均值得出结果为这个周 期微波频率下的荧光强度值； 0018 e.处理后的全部脉冲周期的荧光强度数据绘图即为Rabi振荡谱； 0019 f.重复步骤b至步骤e， 比较普通高斯脉冲和高分辨率高斯脉冲测得的Rabi谱数 据。 0020 一种实现高分辨率量子传感的脉冲整形算法， 适用于垂直分辨率高的任意波形发 生器， 可使用于任意编程环境中， 脉冲幅值数据存储采用以列序为主的数组存储方式， 按照 行号从小到大的顺序， 依次存储每一时刻的数据， 当以列序为主的数组中无所选择的脉冲 频率数据， 将行值为1的列中的存储数据替换为新数据。 0021 与现有技术相比， 本发明取得的有益效果， 通过特定。
14、的算法改变电压幅值， 并结合 脉冲整形优化技术可以使时间采样率超出硬件限制， 能够实现更好的优化脉冲之间延迟处 的自旋演化。 说明书 2/4 页 5 CN 112003592 A 5 附图说明 0022 图1微波脉冲调制示意图 0023 图2原脉冲与幅值修改后脉冲的形状示意图 0024 图3 Rabi振荡实验流程图 0025 图4原脉冲与幅值修改后脉冲应用于Rabi振荡实验对比图 具体实施方案 0026 下面结合附图对本发明做进一步的说明， 以令本领域技术人员参照说明书文字能 够实施。 0027 一种实现高分辨率量子传感的脉冲整形算法， 具体包括以下步骤： 0028 S1： 在以列序为主的数组。
15、数据使用前， 对所有行从小到大进行编号， 同时对其编号 另起一列存入数组中； 0029 S2： 列序为主的数组的行数编号完成后， 将该行编号与时间分辨率相乘的结果作 为时间变量； 0030 S3： 在转换为行数的过程中， 当需计算的时间不为时间分辨率整数倍时， 对行数以 四舍五入为原则进行处理； 0031 动态解耦光谱学是基于这种有精确定时脉冲重复时间 的量子比特控制的周期性 脉冲调制的领域， 如图1； 0032 S4： 在转换后所对应的行数处输入的幅值是以转换前的时间所计算而得； 0033S5： 使用的高斯脉冲为其中 为单个高斯脉冲中的左右幅值降至 的时间长度， t0为单个高斯脉冲的中心对称。
16、轴， t为时间分辨率的增量； t0c* ， 其中系 数c可根据实验所需条件调整单个周期的高斯脉冲长度； 脉冲有效宽度为其单个完整脉冲 的半高全宽， 令单次脉冲时长为tpw， 半高全宽为tFWHM， 则如图2， 用整 形脉冲调制微波信号， 将时间分辨率限制为脉冲发生器硬件采样时间ts的倍数， 其中， 正方 体和圆形的轮廓显示原始和时移脉冲； 0034 一种实现高分辨率量子传感的脉冲整形算法应用到脉冲ODMR光谱及Rabi振荡的 检测中， 如图3为进行相关量子调控实验的流程图， 其具体步骤如下： 0035 a.首先调试量子调控系统， 使用功率为15毫瓦的激光器， 选用某一型号任意波形 发生器， 设。
17、置任意波形发生器的微波电压幅值为1.5v， 设置为IQ调制模式， 采样率设置为任 意波形发生器的最大值2.5Gs/s， 将任意波形发生器的基频设置为所记录共振峰对应频率。 使用的微波功率放大器增益为20dBm； 0036 b.设置同步系统的TTL信号的时序， 每周期初始化激光时长为50us， 关断时间为 6us， 初始化激光的上升沿信号为Readout信号， 序列周期为400个脉冲周期， 通过改变幅值 生成的高时间分辨率高斯脉冲脉宽从0.2ns步进到80ns。 将制作好的序列加载至任意波形 发生器的一个通道并执行运行， 信号发生器将微波脉冲信号发送至射频功率放大器， 微波 脉冲信号经射频功率放。
18、大器放大后通过共振天线施加到低浓度的金刚石NV色心上； 说明书 3/4 页 6 CN 112003592 A 6 0037 c.接着进行Rabi振荡实验， 使用数据采集卡采集光电探测器输出端数据； 0038 d.通过编写算法， 求解各周期微波频率下的荧光强度值， 对于任一周期脉冲数求 和为将每一脉冲周期的数据段首部去掉6个无用的上升沿数据点， 即为保证信噪比， 再求均值得出结果为这个周 期微波频率下的荧光强度值； 0039 e.处理后的全部脉冲周期的荧光强度数据绘图即为Rabi振荡谱； 0040 f.重复步骤b至步骤e， 比较普通高斯脉冲和高分辨率高斯脉冲测得的Rabi谱数 据， 如图4。 0。
19、041 一种实现高分辨率量子传感的脉冲整形算法， 适用于垂直分辨率高的任意波形发 生器， 可使用于任意编程环境中， 其特征在于脉冲幅值数据存储采用以列序为主的数组存 储方式， 按照行号从小到大的顺序， 依次存储每一时刻的数据， 当以列序为主的数组中无所 选择的脉冲频率数据， 将行值为1的列中的存储数据替换为新数据。 0042 以上实施例仅为本发明的优选技术方案， 其并不仅限于说明书和实施方式中所列 运用， 它完全可以被适用于各种适合本发明的领域， 对于熟悉本领域的人员而言， 可容易地 实现另外的修改， 因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下， 本发明并不限 于特定的细节和这里示出与描述的图例。 说明书 4/4 页 7 CN 112003592 A 7 图1 图2 说明书附图 1/2 页 8 CN 112003592 A 8 图3 图4 说明书附图 2/2 页 9 CN 112003592 A 9 。