CN110596630A - 基于金刚石nv色心量子精密测量装置频率校准系统及方法 - Google Patents

Abstract

基于金刚石NV色心量子精密测量装置频率校准系统及方法，通过调整天线平台上频率可调天线的整体阻抗，能够使频率可调天线的谐振频率与亥姆霍兹线圈磁场中的金刚石NV色心样品的频率f_NV相匹配，从而实现量子精密测量装置的频率校准，进而提高量子精密测量装置的灵敏度。

Description

基于金刚石NV色心量子精密测量装置频率校准系统及方法

技术领域

本发明涉及量子精密测量技术，特别是一种基于金刚石NV色心量子精密测量装置的频率校准系统及方法，通过调整天线平台中频率可调天线的整体阻抗，能够使频率可调天线的谐振频率与亥姆霍兹线圈磁场中的金刚石NV色心样品的频率f_NV相匹配，从而实现量子精密测量装置的频率校准，进而提高量子精密测量装置的灵敏度。

背景技术

近年来，金刚石NV色心(nitrogen-vacancy center)广泛应用于量子计算、量子测量等领域。在磁场测量方面，NV色心金刚石弱磁测量技术的灵敏度与空间分辨率均位于前列，在医疗检测领域存在广阔的应用前景，得到了该领域研究学者的广泛关注。但是，本发明人注意到，在进行实验的过程中针对金刚石NV色心样品会施加不同大小的外磁场B₀，由于塞曼效应，使得金刚石NV色心样品的频率f_NV发生变化，而现有技术中的微波操控系统中天线平台上的天线谐振频率是固定的，不能满足谐振频率与f_NV的匹配，这会降低荧光信号对比度，使得量子精密测量装置的灵敏度降低。本发明人认为，如果对天线进行频率校准则可以使谐振频率与f_NV匹配，从而实现量子精密测量装置的频率校准，进而提高量子精密测量装置的灵敏度。有鉴于此，本发明人完成了本发明。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种基于金刚石NV色心量子精密测量装置的频率校准系统及方法，通过调整天线平台上频率可调天线的整体阻抗，能够使频率可调天线的谐振频率与亥姆霍兹线圈磁场中的金刚石NV色心样品的频率f_NV相匹配，从而实现量子精密测量装置的频率校准，进而提高量子精密测量装置的灵敏度。

本发明技术方案如下：

基于金刚石NV色心量子精密测量装置的频率校准系统，其特征在于，包括容置金刚石NV色心样品的天线平台，所述天线平台的三轴位移台上设置有频率可调天线，所述频率可调天线的谐振频率通过调整匹配于所述金刚石NV色心样品的频率f_NV。

所述天线平台放置在亥姆霍兹线圈内，所述亥姆霍兹线圈连接有电流源。

所述亥姆霍兹线圈和所述电流源构成作用于所述金刚石NV色心样品的磁场模块，所述亥姆霍兹线圈由三组铁磁性材料制成的线圈组成，每一组有两个线圈，每一组连接一个电流源，三组线圈在空间上相互正交，组内线圈相互平行，根据毕奥-萨伐尔定律可知，当给线圈通上电流后，线圈会产生其方向与线圈平面垂直的磁场，通过给三组线圈加上不同的电流从而产生大小方向任意可调的空间磁场。

所述频率可调天线由微波源产生的微波馈电，从而将微波辐射到金刚石NV色心样品上，实现对色心量子态的操控。

所述微波源通过微波开关连接功率放大器，所述功率放大器连接所述天线平台，所述微波源、所述微波开关和所述功率放大器构成微波模块，所述微波源通过计算机控制模块连接所述微波开关，微波源产生微波，微波开关在计算机控制模块的控制下使连续微波输入变为脉冲微波输出，输出的微波脉冲经传输线输入到天线平台。

所述天线平台分别连接直流电源和矢量网络分析仪，所述天线平台、直流电源和矢量网络分析仪构成频率校准模块，所述矢量网络分析仪用于观察所述频率可调天线的输入回波损耗曲线，若其峰值频率与f_NV不一致，则调整直流电源使所述频率可调天线谐振频率与f_NV相匹配，实现频率校准。

所述金刚石NV色心样品接收来自物镜的聚焦激光，所述物镜、二向色镜与激光器组成光路，所述二向色镜将所述激光器发出的激光反射到所述物镜，所述二向色镜、物镜和激光器构成光学模块。

所述金刚石NV色心样品发出的荧光经所述物镜收集后透过所述二向色镜到达荧光收集模块，所述荧光收集模块包括面向所述二向色镜依次设置的滤镜、透镜和光敏感器件，所述光敏感器件采集荧光信号，所述光敏感器件连接计算机控制模块，所述计算机控制模块从所述光敏感器件中读取并分析所述荧光信号。

所述光敏感器件采用雪崩光电二极管。

基于金刚石NV色心量子精密测量装置的频率校准方法，其特征在于，包括如下步骤：

将样品放在亥姆霍兹线圈中，打开电流源，使亥姆霍兹线圈产生磁场，磁场方向与NV色心的四个轴夹角相同，此时光学检测磁共振ODMR光谱有两个共振峰，关于2.87GHz对称；

打开激光器，用矢量网络分析仪测量天线的谐振频率，若谐振频率与基态的简并态m_s＝-1的f_NV一致，则进行下一步，若谐振频率与m_s＝-1的f_NV不一致，则调整直流电源使天线上的压控阻抗发生变化，从而改变天线的谐振频率，直至天线的谐振频率与m_s＝-1的f_NV匹配；

打开微波源，进行ODMR实验，实验结束后，使用计算机绘制其ODMR谱图；

再次测量天线谐振频率，若谐振频率与m_s＝+1的f_NV一致，则进行下一步，若谐振频率与m_s＝+1的f_NV不一致，则调整直流电源使天线上的压控阻抗发生变化，从而改变天线的谐振频率，直至天线的谐振频率与m_s＝+1的f_NV匹配，进行ODMR实验并绘制其谱图；

调整电流源，改变亥姆霍兹线圈的磁场大小，再次实施以上频率校准步骤，并进行ODMR实验且绘制其谱图；

结束实验，关闭所有设备。

本发明的技术效果如下：本发明基于金刚石NV色心量子精密测量装置的频率校准系统及方法，将金刚石样品放置于磁场当中，施加的磁场方向与NV色心的四个轴夹角相同，当系统的外加磁场B₀发生变化时，基态的简并态m_s＝±1发生塞曼分裂现象，导致NV色心能级对应共振频率发生变化，即f_NV发生偏移。通过矢量网络分析仪测量天线的输入回波损耗曲线，观察其峰值频率是否与对应磁场下的f_NV一致，若不一致，则调整装置中的直流电源，改变天线中压控阻抗的大小，使其谐振频率与f_NV相匹配，从而实现量子精密测量装置的频率校准。本发明依靠频率可调天线进行频率校准，操作简单，可施加的磁场范围广，并且可以提高荧光对比度、测量灵敏度和信噪比，为量子精密测量提供了技术支撑。

本发明与现有技术相比的优点在于：相较于以往使用固定谐振频率天线的微波操控系统，本系统可以通过调整直流电源来改变天线的压控阻抗的大小，从而改变天线的谐振频率，使谐振频率与对应磁场下的f_NV匹配，这就使光学检测磁共振(ODMR)实验得到的荧光对比度增强，且本方法操作简单，频率可调范围广，同时提高了测量灵敏度和信噪比，使得量子精密测量的精度得以提高。

附图说明

图1是实施本发明基于金刚石NV色心量子精密测量装置的频率校准系统结构示意图。

图2是图1中频率校准模块的基本结构示意图。

图3是实施本发明基于金刚石NV色心量子精密测量装置的频率校准方法的示意性流程图。

附图标记列示如下：1-光敏感器件；2-透镜；3-滤镜；4-二向色镜；5-物镜；6-激光器；7-微波源；8-微波开关；9-功率放大器；10-亥姆霍兹线圈；11-电流源；12-直流电源；13-矢量网络分析仪；14-天线平台；15-计算机控制模块；16-原始激光；17-聚焦激光；18-荧光信号；141-金刚石NV色心样品；142-频率可调天线；143-三轴位移台。

110-将样品放在亥姆霍兹线圈中，打开电流源，使亥姆霍兹线圈产生磁场，磁场方向与NV色心的四个轴夹角相同，此时光学检测磁共振(ODMR：optically detectedmagnetic resonance)光谱有两个共振峰，关于2.87GHz对称；120-打开激光器，用矢量网络分析仪测量天线的谐振频率，若谐振频率与m_s＝-1的f_NV一致，则进行下一步，若谐振频率与m_s＝-1的f_NV不一致(f_NV是金刚石NV色心样品的频率，m_s是基态的简并态)，则调整直流电源使天线上的压控阻抗发生变化，从而改变天线的谐振频率，直至天线的谐振频率与m_s＝-1的f_NV匹配；130-打开微波源，进行ODMR实验，实验结束后，使用计算机绘制其ODMR谱图；140-再次测量天线谐振频率，若谐振频率与m_s＝+1的f_NV一致，则进行下一步，若谐振频率与m_s＝+1的f_NV不一致，则调整直流电源使天线上的压控阻抗发生变化，从而改变天线的谐振频率，直至天线的谐振频率与m_s＝+1的f_NV匹配，进行ODMR实验并绘制其谱图；150-调整电流源，改变亥姆霍兹线圈的磁场大小，再次实施以上频率校准步骤，并进行ODMR(opticallydetected magnetic resonance，光学检测磁共振)实验且绘制其谱图；160-结束实验，关闭所有设备。

具体实施方式

下面结合附图(图1-图3)对本发明进行说明。

图1是实施本发明基于金刚石NV色心量子精密测量装置的频率校准系统结构示意图。图2是图1中频率校准模块的基本结构示意图。如图1至图2所示，基于金刚石NV色心量子精密测量装置的频率校准系统，包括容置金刚石NV色心样品141的天线平台14，所述天线平台14的三轴位移台143上设置有频率可调天线142，所述频率可调天线142的谐振频率通过调整匹配于所述金刚石NV色心样品141的频率。所述天线平台14被亥姆霍兹线圈10环绕，所述亥姆霍兹线圈10连接有电流源11。所述亥姆霍兹线圈10和所述电流源11构成作用于所述金刚石NV色心样品141的磁场模块，所述亥姆霍兹线圈10由三组铁磁性材料制成的线圈组成，每一组有两个线圈，每一组连接一个电流源11，三组线圈在空间上相互正交，组内线圈相互平行，根据毕奥-萨伐尔定律可知，当给线圈通上电流后，线圈会产生其方向与线圈平面垂直的磁场，通过给三组线圈加上不同的电流从而产生大小方向任意可调的空间磁场。

所述频率可调天线142由微波源7产生的微波馈电，从而将微波辐射到金刚石NV色心样品141上，实现对色心量子态的操控。所述微波源11通过微波开关8连接功率放大器9，所述功率放大器9连接所述天线平台14，所述微波源7、所述微波开关8和所述功率放大器9构成微波模块，所述微波源7通过计算机控制模块15连接所述微波开关8，微波源7产生频率可调的微波，微波开关8在计算机控制模块15的控制下使连续微波输入变为脉冲微波输出，输出的微波脉冲经传输线输入到天线平台14。所述天线平台14分别连接直流电源12和矢量网络分析仪13，所述天线平台14、直流电源12和矢量网络分析仪13构成频率校准模块，所述矢量网络分析仪13用于观察所述频率可调天线142的输入回波损耗曲线，若其峰值频率与f_NV不一致，则调整直流电源12使所述频率可调天线142谐振频率与f_NV相匹配，实现频率校准。所述金刚石NV色心样品141接收来自物镜5的聚焦激光17，所述物镜5、二向色镜4与激光器6、组成光路，所述二向色镜4将所述激光器6发出的激光(即原始激光16)反射到所述物镜5，所述二向色镜4、物镜5和激光器6构成光学模块。所述金刚石NV色心样品141发出的荧光经所述物镜5收集后透过所述二向色镜4到达荧光收集模块，所述荧光收集模块包括面向所述二向色镜4依次设置的滤镜3、透镜2和光敏感器件1，所述光敏感器件1采集荧光信号，所述光敏感器件1连接计算机控制模块15，所述计算机控制模块15从所述光敏感器件1中读取并分析所述荧光信号。所述光敏感器件1采用雪崩光电二极管(APD)。

参考图3，基于金刚石NV色心量子精密测量装置的频率校准方法，包括如下步骤：

步骤110、将样品放在亥姆霍兹线圈中，打开电流源，使亥姆霍兹线圈产生磁场，磁场方向与NV色心的四个轴夹角相同，此时光学检测磁共振ODMR光谱有两个共振峰，关于2.87GHz对称；

步骤120、打开激光器，用矢量网络分析仪测量天线的谐振频率，若谐振频率与基态的简并态m_s＝-1的f_NV一致，则进行下一步，若谐振频率与m_s＝-1的f_NV不一致，则调整直流电源使天线上的压控阻抗发生变化，从而改变天线的谐振频率，直至天线的谐振频率与m_s＝-1的f_NV匹配；

步骤130、打开微波源，进行ODMR实验，实验结束后，使用计算机绘制其ODMR谱图；

步骤140、再次测量天线谐振频率，若谐振频率与m_s＝+1的f_NV一致，则进行下一步，若谐振频率与m_s＝+1的f_NV不一致，则调整直流电源使天线上的压控阻抗发生变化，从而改变天线的谐振频率，直至天线的谐振频率与m_s＝+1的f_NV匹配，进行ODMR实验并绘制其谱图；

步骤150、调整电流源，改变亥姆霍兹线圈的磁场大小，再次实施以上频率校准步骤，并进行ODMR实验且绘制其谱图；

步骤160、结束实验，关闭所有设备。

本发明一个实施例提供的一种基于金刚石NV色心量子精密测量装置的频率校准系统的基本结构示意图，该系统必要技术核心包括：荧光收集模块、光学模块、微波模块、磁场模块、频率校准模块和计算机控制模块。所述的荧光收集模块，包括光敏感器件1、透镜2和滤镜3，其中光敏感器件1可使用但不限于雪崩光电二极管(APD)，样品发出的荧光经物镜5收集后透过二向色镜4、滤镜3、透镜2照射到光敏感器件1上，其荧光信号被光敏感器件1采集；所述的光学模块，包括光敏感器件1、透镜2、滤镜3、二向色镜4、物镜5和激光器6，其中光敏感器件1可使用但不限于雪崩光电二极管(APD)，激光器1可使用但不限于532nm激光器，激光器6产生激光，经二向色镜4反射至物镜5聚焦在金刚石NV色心样品上；激光器6产生的激光通过物镜聚焦在天线平台上的金刚石NV色心样品，用于NV色心的极化，而二向色镜4用于区分金刚石NV色心样品发出的荧光和反射的激光，波长短的激光会反射，而波长长的荧光信号可以直接通过二向色镜4，穿过二向色镜4的荧光信号被荧光收集模块所收集；所述的微波模块，包括微波源7、微波开关8和功率放大器9，微波源7产生频率可调的微波，微波开关8在计算机的控制下使连续微波输入变为脉冲微波输出，输出的微波脉冲经传输线输入到天线平台14；微波源7产生的微波用于给天线平台14的天线馈电，从而将微波辐射到金刚石NV色心样品上，实现对色心量子态的操控；所述的磁场模块，包括亥姆霍兹线圈10和电流源11，其中，通过改变三个电流源11的电流大小，使亥姆霍兹线圈10产生大小方向任意可调的空间磁场；亥姆霍兹线圈10由三组铁磁性材料制成的线圈组成，每一组有两个线圈，三组线圈在空间上相互正交，组内线圈相互平行，根据毕奥-萨伐尔定律可知，当给线圈通上电流后，线圈会产生与方向其平面垂直的磁场，通过给三组线圈加上不同的电流从而产生大小方向任意可调的空间磁场；所述的频率校准模块，包括直流电源12、矢量网络分析仪13和天线平台14，其中直流电源12用来调整天线的谐振频率，矢量网络分析仪13用于观察天线的输入回波损耗曲线；在实验过程当中，使用矢量网络分析仪13测量天线的谐振频率，并判断其谐振频率与对应磁场下的f_NV是否一致。若一致，则进行下一步实验，若不一致，则调整直流电源12的电压来改变天线平台14上压控阻抗的大小，使天线的谐振频率发生改变，直至其谐振频率与f_NV一致，完成频率校准；所述的计算机控制模块15用于控制微波源输出的频率、功率和微波开关，然后从光敏感器件1中读取并分析荧光信号。该系统作用于频率校准模块上的金刚石NV色心样品，所产生的微波磁场用于对NV色心的操控，是实现量子精密测量的重要前提。

图2为本发明一个实施例提供的天线平台14的基本结构示意图。天线平台14包括金刚石NV色心样品141、频率可调天线142和三轴位移台143。天线平台14其必要技术核心为频率可调天线142。其特征为：改变天线中压控阻抗(可使用但不限于变容二极管)的电压来改变天线整体阻抗，实现天线的频率可调功能。

图3为本发明一个实施例提供的一种基于金刚石NV色心量子精密测量装置的频率校准方法的示意性流程图，包括如下步骤：步骤110、将样品放在亥姆霍兹线圈中，打开电流源，使亥姆霍兹线圈产生磁场，磁场方向与NV色心的四个轴夹角相同，此时光学检测磁共振(ODMR)光谱有两个共振峰，关于2.87GHz对称；步骤120、打开激光器，用矢量网络分析仪测量天线的谐振频率，若谐振频率与m_s＝-1的f_NV一致，则进行下一步，若谐振频率与m_s＝-1的f_NV不一致，则调整直流电源使天线上的压控阻抗发生变化，从而改变天线的谐振频率，直至天线的谐振频率与m_s＝-1的f_NV匹配；步骤130、打开微波源，进行ODMR实验，实验结束后，使用计算机绘制其ODMR谱图；步骤140、再次测量天线谐振频率，若谐振频率与m_s＝+1的f_NV一致，则进行下一步，若谐振频率与m_s＝+1的f_NV不一致，则调整直流电源使天线上的压控阻抗发生变化，从而改变天线的谐振频率，直至天线的谐振频率与m_s＝+1的f_NV匹配，进行ODMR实验并绘制其谱图；步骤150、调整电流源，改变亥姆霍兹线圈的磁场大小，再次实施以上频率校准步骤，并进行ODMR实验且绘制其谱图；步骤160、结束实验，关闭所有设备。

在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。

Claims (10)

1.基于金刚石NV色心量子精密测量装置的频率校准系统，其特征在于，包括容置金刚石NV色心样品的天线平台，所述天线平台的三轴位移台上设置有频率可调天线，所述频率可调天线的谐振频率通过调整匹配于所述金刚石NV色心样品的频率f_NV。

2.根据权利要求1所述的基于金刚石NV色心量子精密测量装置的频率校准系统，其特征在于，所述天线平台被亥姆霍兹线圈环绕，所述亥姆霍兹线圈连接有电流源。

3.根据权利要求2所述的基于金刚石NV色心量子精密测量装置的频率校准系统，其特征在于，所述亥姆霍兹线圈和所述电流源构成作用于所述金刚石NV色心样品的磁场模块，所述亥姆霍兹线圈由三组铁磁性材料制成的线圈组成，每一组有两个线圈，每一组连接一个电流源，三组线圈在空间上相互正交，组内线圈相互平行，根据毕奥-萨伐尔定律可知，当给线圈通上电流后，线圈会产生其方向与线圈平面垂直的磁场，通过给三组线圈加上不同的电流从而产生大小方向任意可调的空间磁场。

4.根据权利要求1所述的基于金刚石NV色心量子精密测量装置的频率校准系统，其特征在于，所述频率可调天线由微波源产生的微波馈电，从而将微波辐射到金刚石NV色心样品上，实现对色心量子态的操控。

5.根据权利要求4所述的基于金刚石NV色心量子精密测量装置的频率校准系统，其特征在于，所述微波源通过微波开关连接功率放大器，所述功率放大器连接所述天线平台，所述微波源、所述微波开关和所述功率放大器构成微波模块，所述微波源通过计算机控制模块连接所述微波开关，微波源产生频率可调的微波，微波开关在计算机控制模块的控制下使连续微波输入变为脉冲微波输出，输出的微波脉冲经传输线输入到天线平台。

6.根据权利要求1所述的基于金刚石NV色心量子精密测量装置的频率校准系统，其特征在于，所述天线平台分别连接直流电源和矢量网络分析仪，所述天线平台、直流电源和矢量网络分析仪构成频率校准模块，所述矢量网络分析仪用于观察所述频率可调天线的输入回波损耗曲线，若其峰值频率与f_NV不一致，则调整直流电源使所述频率可调天线谐振频率与f_NV相匹配，实现频率校准。

7.根据权利要求1所述的基于金刚石NV色心量子精密测量装置的频率校准系统，其特征在于，所述金刚石NV色心样品接收来自物镜的聚焦激光，所述物镜、二向色镜与激光器组成光路，所述二向色镜将所述激光器发出的激光反射到所述物镜，所述二向色镜、物镜和激光器构成光学模块。

8.根据权利要求1所述的基于金刚石NV色心量子精密测量装置的频率校准系统，其特征在于，所述金刚石NV色心样品发出的荧光经所述物镜收集后透过所述二向色镜到达荧光收集模块，所述荧光收集模块包括面向所述二向色镜依次设置的滤镜、透镜和光敏感器件，所述光敏感器件采集荧光信号，所述光敏感器件连接计算机控制模块，所述计算机控制模块从所述光敏感器件中读取并分析所述荧光信号。

9.根据权利要求8所述的基于金刚石NV色心量子精密测量装置的频率校准系统，其特征在于，所述光敏感器件采用雪崩光电二极管。

10.基于金刚石NV色心量子精密测量装置的频率校准方法，其特征在于，包括如下步骤：

将样品放在亥姆霍兹线圈中，打开电流源，使亥姆霍兹线圈产生磁场，磁场方向与NV色心的四个轴夹角相同，此时光学检测磁共振ODMR光谱有两个共振峰，关于2.87GHz对称；

打开激光器，用矢量网络分析仪测量天线的谐振频率，若谐振频率与基态的简并态m_s＝-1的f_NV一致，则进行下一步，若谐振频率与m_s＝-1的f_NV不一致，则调整直流电源使天线上的压控阻抗发生变化，从而改变天线的谐振频率，直至天线的谐振频率与m_s＝-1的f_NV匹配；

打开微波源，进行ODMR实验，实验结束后，使用计算机绘制其ODMR谱图；

再次测量天线谐振频率，若谐振频率与m_s＝+1的f_NV一致，则进行下一步，若谐振频率与m_s＝+1的f_NV不一致，则调整直流电源使天线上的压控阻抗发生变化，从而改变天线的谐振频率，直至天线的谐振频率与m_s＝+1的f_NV匹配，进行ODMR实验并绘制其谱图；

调整电流源，改变亥姆霍兹线圈的磁场大小，再次实施以上频率校准步骤，并进行ODMR实验且绘制其谱图；

结束实验，关闭所有设备。