金刚石中的氮-空位 (NV) 色心是实现量子态相干控制的重要物理系统。NV 色心的电子自旋态可以通过一系列光脉冲和微波脉冲进行控制，相对于其它固态物理系统，其相干时间即使在室温下也比较长。它既可以很好地与外界环境隔离进而用于量子信息处理，又可以用作传感器来测量外部的电场或磁场。通过控制矢量磁场 NV 色心的能级间距，其操作频率范围可由直流调节到 20 GHz。NV色心在操作频率范围和对环境的敏感性方面都具有高度的可调节性，因此可以与不同的实验装置结合，适用于不同的应用。

图1：金刚石 NV 色心能级图。

首先，使用绿激光脉冲将 NV 色心初始化到基态 | m_s = 0 > (参见图 1)，图中光脉冲的开断是由 TTL 信号控制的声光调制器 (AOM) 来实现的 。如图 2，HDAWG 数字输入和输出 (DIO) 端口发出的 TTL 脉冲通过数字缓冲器用于触发 AOM ，进而调控绿激光脉冲。

无需额外的脉冲发生器， 仅使用 HDAWG DIO 的 32 个通道，或者使用前面板上的 4 或 8 个标记输出，就可以实现更简单，更紧凑的实验设置。

图2：使用 Zurich Instruments HDAWG 的实验装置示意图。

NV 色心的电子自旋态可以通过使用给定幅度，频率和相位的微波 (MW) 信号来控制。该 MW 信号是通过使用 IQ 混频器和本地振荡器 (LO)，将 HDAWG 的两个输出（在图2中标记为 I 和 Q) 上变频来实现的。I 和 Q 分量决定了最终 MW 的相位和幅度，I 和 Q 分量中的任何噪声都会影响信号质量，并可能导致脉冲误差。因此，I 和 Q 分量必须完全可控，同时还要求具有非常低的幅度噪声和相位噪声。 HDAWG 的信号发生器的相位可以自由设置，从而根据需要调整 I 和 Q 输出信号的相位。HDAWG 的低噪声性能确保了输出脉冲的质量。某些 IQ 混频器可能会有一定的 LO 泄漏，因此可能激发不必要的跃迁而影响测量结果。在必要的情况下，可以通过使用 HDAWG 的标记输出控制 MW 开关来关断 MW 信号，避免测量结果受LO 泄露的影响。

MW 信号经过放大后通过 MW 天线在 NV 色心周围产生微波磁场，因此通过使用一系列的 MW 脉冲可以控制 NV 色心的电子自旋态。某些测量需要多个频率分量的组合，每个分量都有各自的脉冲形状，例如，自旋态转移需要两个不同的微波频率，核自旋和电子自旋之间相互作用的控制则既需要低频信号也需要微波信号。HDAWG 拥有 4 或 8 个波形输出通道，可以协调生成多组脉冲包络，从而轻松协调不同频率的脉冲。

NV 色心电子自旋态的读出是通过用雪崩光电二极管 (APD) 测量来自绿激光脉冲激发产生的荧光光子的荧光率来实现的。 NV 色心的表征或控制也可以通过红激光（共振激发）或黄激光（电荷态读出）来实现，最终通过对 APD 输出脉冲的计数来获得测量结果。

在这两种情况下，HDAWG-CNT 选件可以用来计数来自于 APD 的脉冲，进而测量荧光率。 HDAWG-CNT 具有纳秒级的时间分辨率，并且可以对荧光光子进行时间标记。

更好地与环境隔离或提高传感器分辨率通常需要复杂的脉冲序列，这些脉冲序列可能包含较长的脉冲或相隔时间很长但非常短的一些脉冲。使用 LabOne® AWG 的定序器可以优化波形处理，即，使用非常短的时间上传长脉冲，同时保持时间抖动低于 10 ps。用户可以使用自己已有的控制软件对 HDAWG 进行编程。HDAWG 具有多种应用开发接口 (API), 如 MATLAB®、Python、C、LabVIEW™ 和 .NET, 因此用户可以轻松地将 HDAWG 集成到现有的系统。

选择苏黎世仪器的好处

• 通过使用不受存储器或上载时间限制的长而复杂的脉冲序列来提高灵敏度或相干保护。

• 通过使用低噪声和低时间抖动的脉冲来提升测量质量。

• 利用 HDAWG 定序器产生理想的波形。

• 通过 DIO 和标记通道协调实验系统中的各种仪器，简化系统设置。