CN109921188B - 一种固体色心频率可调微波操控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固体色心频率可调微波操控系统及方法，该系统包括电压调节模块、固体色心样品、微波源系统、信号处理系统、调频天线系统和控制系统等。其中，微波源系统可提供微波信号，该信号经过放大，后经过调频天线系统中的频率可调微带天线时，由于天线的馈电，调频天线系统可辐射微波至固体色心样品上，频率可调微带天线中的变容二极管可以通过调整电压调节模块来改变天线整体阻抗，从而实现频率可调功能。本发明实验环境简单、体积小、鲁棒性好，而且可以提供回波损耗低的宽带频率可调微波磁场，为基于固体色心的量子计算、量子传感、量子传输等技术提供支撑。

Description

一种固体色心频率可调微波操控系统及方法

技术领域

本发明涉及量子精密测量技术领域，尤其涉及一种固体色心的频率可调微波操控系统及方法。

背景技术

固体色心进行量子精密测量的过程包括自旋极化、自旋操控和自旋检测三大过程。测量系统主要包括：光学操控系统、微波操控系统、磁场操控系统等，其中微波操控系统为固体色心进行量子精密测量提供重要基础。高浓度固体色心材料中，参与传感的自旋数量较单个色心有数量级的飞跃，但基于固体色心的量子精密测量中的微波操控系统的天线会与系统内组件发生近场耦合现象，且天线谐振频率受基底材料、尺寸参数、加工误差以及电磁环境等因素的影响，其谐振频率会发生偏移，导致固体色心与微波操控系统的谐振频率不匹配，引起微波磁场与固体色心发生非共振，进而降低拉比频率，且使对系统噪声失去鲁棒性，最终影响了量子精密测量的精度，因此量子精密测量更需要微波操控系统能提供回波损耗低的宽带频率可调微波磁场。

发明内容

根据本发明的一个实施例，提供了一种固体色心的频率可调微波操控系统及方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种固体色心频率可调微波操控系统，该系统包括：电压调节模块、固体色心样品、微波源系统、信号处理系统、调频天线系统和控制系统，其中：

所述的电压调节模块与调频天线系统中的频率可调微带天线相连；

所述的固体色心样品，放置于调频天线系统上；

所述的微波源系统可提供微波信号，对调频天线系统中的频率可调微带天线进行馈电；

所述的信号处理系统可处理微波信号，并根据需求放大微波信号；

所述的调频天线系统以固体色心样品为核心，利用频率可调微带天线中的变容二极管调整天线整体阻抗，从而调节因近场耦合而产生的频移，并将调制好的微波信号辐射至固体色心样品；

所述的控制系统与上述电压调节模块、微波源系统、信号处理系统和调频天线系统均连接，所述的控制系统用于统一调控上述电压调节模块、微波源系统、信号处理系统和调频天线系统间的运作。

其中，微波源系统包括：微波源、开关等。微波源、开关等器件与所述的控制系统连接，该系统用于提供对调频天线系统馈电的微波信号。

其中，信号处理系统包括：放大装置和电平转换装置。放大装置放大微波源系统输出的微波信号，电平转换装置将放大装置与控制系统相连。

其中，调频天线系统包括：频率可调微带天线装置和天线支架等。频率可调微带天线中的变容二极管可以通过调整电压调节模块来改变天线整体阻抗，从而实现频率可调功能，天线馈电后可将调制好的微波信号辐射至固体色心样品。

其中，控制系统统一调控电压调节模块、微波源系统、信号处理系统和调频天线系统间的运作。

本发明还提供一种固体色心频率可调微波操控方法，包括如下步骤：

步骤701、将电压调节模块与调频天线系统中的频率可调微带天线装置的变容二极管相连；

步骤702、将固体色心样品放置在频率可调微带天线装置的样品放置区域，其端口接入信号源系统和信号处理系统输出的信号；

步骤703、微波源系统输出一路信号，信号处理系统根据需求对信号进行处理并放大该路的微波信号；

步骤704、调频天线系统中的频率可调天线装置接收到微波信号后，通过调节变容二极管的外加电压，改变频率可调天线的谐振频率；

步骤705、所述频率可调微带天线装置可实现对因近场耦合而产生频移的天线系统进行调频，抑制微波磁场与固体色心之间的非共振现象，使对系统噪声具有鲁棒性。

本发明与现有技术相比的优点在于：该系统作用于固体色心样品，微波源系统提供的微波信号经过信号处理系统后，被传输到调频天线系统的频率可调微带天线装置上，天线所提供的微波磁场可用于固体色心的操控，这是实现量子精密测量的重要基础。通过调整微带天线上变容二极管的外部电压值，来改变天线的整体阻抗，修正天线因近场耦合、内部噪声影响、加工误差、电磁环境干扰、尺寸参数变化等因素引起的谐振频率偏移，实现固体色心与天线装置的频率匹配，这意味着固体色心与微波磁场间的非共振现象得以抑制，且对系统噪声具有鲁棒性。频率可调的微带天线装置能够提供回波损耗低的宽带频率可调微波磁场，使得量子精密测量的精度得以提高。

附图说明

图1为本发明一个实施例提供的一种固体色心频率可调微波操控系统的基本结构示意图；

图2为本发明一个实施例提供的调频天线系统的基本结构示意图；

图3为本发明一个实施例提供的调频天线系统中的频率可调微带天线装置的结构示意图；

图4为本发明一个实施例提供的一种固体色心频率可调微波操控方法的示意性流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的技术方案以及优点表达的更清楚，下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

图1为本发明一个实施例提供的一种固体色心频率可调微波操控系统的基本结构示意图，该系统必要技术核心包括：电压调节模块1、固体色心样品2、调频天线系统3、信号处理系统4、微波源系统5和控制系统6。其中，固体色心样品2可为含有NV色心的金刚石薄片。

所述的电压调节模块1与调频天线系统3中的频率可调微带天线相连；

所述固体色心样品2，放置于调频天线系统3上；

所述的微波源系统5可提供一路微波信号，对调频天线系统3中的频率可调微带天线进行馈电；

所述的信号处理系统4可处理微波信号，并根据需求放大微波信号；

所述的调频天线系统3以固体色心样品2为核心，利用频率可调微带天线中的变容二极管调整天线整体阻抗，从而调节因近场耦合而产生的频移，并将调制好的微波信号辐射至固体色心样品2；

所述的控制系统6与上述电压调节模块1、微波源系统5、信号处理系统4和调频天线系统3均有连接，统一调控上述电压调节模块1、微波源系统5、信号处理系统4和调频天线系统3间的运作。

该系统作用于固体色心样品2，所产生的微波磁场用于对固体色心的操控，是实现量子精密测量的重要前提。该系统输入的微波信号被传输到调频天线系统的频率可调微带天线装置上，通过调整微带天线上变容二极管的外部电压值，来改变天线的整体阻抗，修正天线因近场耦合、内部噪声影响、加工误差、电磁环境干扰、尺寸参数变化等因素引起的谐振频率偏移，这意味着固体色心与微波磁场间的非共振现象得以抑制，且对系统噪声具有鲁棒性。频率可调的微带天线装置能够提供回波损耗低的宽带频率可调微波磁场，使得量子精密测量的精度得以提高。

图2为本发明一个实施例提供的调频天线系统3的基本结构示意图。调频天线系统3包括频率可调微带天线装置31和天线支撑架32。调频天线系统3其必要技术核心为频率可调微带天线装置31。频率可调微带天线装置31的主要特征为：通过改变变容二极管两端电压来调整天线整体阻抗，从而修正因近场耦合、内部噪声影响、加工误差、电磁环境干扰、尺寸参数变化等因素引起的谐振频率偏移，这是抑制固体色心与微波磁场间非共振现象的关键。接下来为了阐述的方便，将对频率可调微带天线装置31的组成及作用予以说明。

图3为本发明一个实施例提供的调频天线系统3中的频率可调微带天线装置31的结构示意图。频率可调微带天线装置包括：基底311、微带天线312、馈电端口313、样品放置区域314、50Ω外接电阻315和变容二极管316。

其中，固体色心样品2置于频率可调微带天线装置31的样品放置区域314，馈电端口313接入微波源系统5和信号处理系统4输出的微波信号。频率可调微带天线装置通过调整变容二极管两端电压来改变天线总体阻抗，从而改变天线的谐振频率，提供回波损耗低的宽带频率可调微波磁场。

图4为本发明一个实施例提供的一种固体色心频率可调微波操控方法的示意性流程图，包括如下步骤：

步骤701、将电压调节模块1与调频天线系统3中的频率可调微带天线装置的变容二极管相连；

步骤702、将固体色心样品2放置在频率可调微带天线装置31的样品放置区域314，其馈电端口313接入微波源系统5和信号处理系统4输出的信号；

步骤703、打开微波源系统5输出一路信号后，信号处理系统4接收到微波信号后根据需求对信号进行处理并放大该路的微波信号；

步骤704、调频天线系统3中的频率可调微带天线装置31接收到微波信号后，通过调节变容二极管316的外加电压，改变频率可调微带天线的谐振频率，其可提供具有回波损耗低的宽带频率可调微波磁场。

步骤705、频率可调微带天线装置31可修正天线系统因近场耦合、内部噪声影响、加工误差、电磁环境干扰、尺寸参数变化等因素引起的谐振频率偏移，抑制固体色心与微波磁场之间的非共振现象，使对系统噪声具有鲁棒性。

本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种固体色心频率可调微波操控系统，其特征在于，该系统包括：电压调节模块、固体色心样品、微波源系统、信号处理系统、调频天线系统和控制系统，其中：

所述的电压调节模块与调频天线系统中的频率可调微带天线装置上的变容二极管相连；

所述的固体色心样品，放置于调频天线系统上；

所述的微波源系统可提供微波信号，对调频天线系统中的频率可调微带天线装置进行馈电；

所述的信号处理系统可处理微波信号，并根据需求放大微波信号；

所述的调频天线系统以固体色心样品为核心，利用频率可调微带天线装置中的变容二极管调整天线整体阻抗，从而调节频率可调微带天线装置的谐振频率，并将调制好的微波信号辐射至固体色心样品；

所述的控制系统与上述电压调节模块、微波源系统、信号处理系统和调频天线系统均连接，所述的控制系统用于统一调控上述电压调节模块、微波源系统、信号处理系统和调频天线系统间的运作；

微波源系统包括：微波源、开关，微波源、开关与所述的控制系统连接，该微波源系统用于提供对调频天线系统馈电的微波信号；

信号处理系统包括：放大装置和电平转换装置，放大装置放大微波源系统输出的微波信号，电平转换装置将放大装置与控制系统相连；

调频天线系统包括：频率可调微带天线装置和天线支架，频率可调微带天线装置中的变容二极管可以通过调整电压调节模块来改变天线整体阻抗，从而实现频率可调功能，天线馈电后可将调制好的微波信号辐射至固体色心样品；频率可调微带天线装置包括基底、微带天线、馈电端口、样品放置区域、50Ω外接电阻和变容二极管，其中，固体色心样品置于频率可调微带天线装置的样品放置区域，馈电端口接入微波源系统和信号处理系统输出的微波信号，微带天线置于基底的表面，微带天线的两端分别连接馈电端口和50Ω外接电阻，微带天线上开有矩形槽作为样品放置区域，微带天线上设有“U”形槽，“U”形槽上跨接有所述变容二极管。

2.一种固体色心频率可调微波操控方法，利用权利要求1所述固体色心频率可调微波操控系统，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一（701）、将电压调节模块与调频天线系统中的频率可调微带天线装置的变容二极管相连；

步骤二（702）、将固体色心样品放置在频率可调微带天线装置的样品放置区域，其端口接入微波源系统和信号处理系统输出的信号；

步骤三（703）、所述微波源系统输出一路信号，信号处理系统根据需求对信号进行处理并放大该路的微波信号；

步骤四（704）、所述调频天线系统中的频率可调微带天线装置接收到微波信号后，通过调节变容二极管的外加电压，改变频率可调微带天线装置的谐振频率；

步骤五（705）、所述频率可调微带天线装置可实现对因近场耦合而产生频移的天线系统进行调频，抑制微波磁场与色心之间的非共振现象，使对系统噪声具有鲁棒性。

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