Moku 集成式量子测控：软件定义仪器赋能量子传感与量子计量

随着量子科学的快速发展，原子系统在时间、频率与场强等物理量测量中所展现的优异精度与稳定性越来越受到研究人员的重视。从基础物理的研究，到导航、通信等应用，基于原子系统的量子传感与计量正逐步成为推动科研和工程前沿的“精密引擎”。然而，从理论到实践并非易事：激光频率漂移、系统固有噪声、时序误差以及测试测量设备间的不同步，常常限制着实验性能的上限。本文聚焦于如何利用原子系统实现高精度量子传感与计量，并系统性探讨相关领域所面临的核心技术挑战以及对测试测量设备的需求。我们进一步展示了Moku这种基于 FPGA 的测控一体化设备如何通过高集成度、高灵活度与优异的时钟架构，有效支撑现代量子实验中对多设备协同工作、高速信号处理与同步控制的关键需求。

量子计量与量子传感

与传统技术相比，原子系统的量子特性可以提高观测物理现象的精度。这些备受关注的研究领域被称为量子计量学或量子传感。具体应用包括用于提高频率标准的光学原子钟、用于生物医学和地质应用的磁力计以及用于在没有GPS的环境中导航的重力传感器和惯性传感器。虽然这些方案的应用前景广阔，但这些技术在实施过程中却面临巨大挑战。我们通过对测试测量设备硬件性能的提升，比如提高探测器时间分辨率、降低抖动以及引入主动反馈控制等机制对实际实施面临的困难进行解决。

虽然量子计量学和量子传感的息息相关，但有一些细微的区别。量子计量学侧重于提高时间和频率等测量的精度，通常使用纠缠和压缩等量子效应。相比之下，量子传感是指以原子级的灵敏度检测微弱的信号，例如电磁场和引力场。这两个领域深深地交织在一起;它们通常使用相似的技术，并且性能优异的传感器本身也是一种精确的计量设备。请继续阅读，探索一些特定的传感和计量技术。

基于光-原子相互作用的量子传感

量子传感器的基本要求是所讨论的系统具有离散的、可解析的能级，可以在保留其量子信息的同时操控系统状态，并且状态也可以被“读取”或测量[1]。原子系统，如离子阱系统和中性原子阵列，是理想的量子传感器，因为它们具有简单的能级结构和较长的相干时间，这提高了可能实现的精度。

传感器通常被用于探测一个特定的物理量。磁力测量就是这样一种应用，它涉及对磁场强度和梯度进行灵敏地检测。冷原子云特别适合这类应用，因为它们通过塞曼效应对施加的磁场产生很强的响应。相比之下，离子阱通常更适用于电场和力的测量。利用斯塔克效应（类似于塞曼效应，但具有电场），离子阱传感器可以测量单个原子量级上的应力和位移[2]。使用冷原子的引力传感器可以通过原子干涉测量法测量因重力引起的加速度的微小变化。使用保持精确间隔的激光脉冲，可以将冷原子组引导到不同的轨迹上，其中一条路径由于引力而积累额外的相位。最后，利用某些种类原子内的超稳“时钟”跃迁特性，光学原子钟有望用作绝对频率参考。

图1:原子量子比特系统

左图：离子被注入射频（RF）阱中，在不同波长的激光（蓝色、绿色和紫色箭头）作用下进行被冷却、探测和读取。荧光信号通过光电倍增管（PMT）进行探测。

右图：中性原子在经过冷却后被囚禁在磁光阱（MOT）中，冷却过程依赖于四极磁场与相向传播的激光束的共同作用。在被读取之前，探针信号用于操控原子的量子态。

虽然某些应用会倾向选择其中一种系统，但这些原子系统的操控方式依赖于一些共同的技术。首先，离子和中性原子都必须冷却，以便它们可以被射频场或磁光阱“捕获”，如图1所示。这个过程包括将原子注入真空室，并利用称为多普勒和边带冷却过程，从而产生净能量损失并降低热噪声。

冷却后，这两种类型的原子量子比特都使用保持精确间隔的激光脉冲（通常称为探测光）进行操控和读取。根据原子的种类，选择两个能级作为经典的“0”和“1”状态。当施加与该跃迁能级共振的激光时，原子将在量子态之间振荡。如图2所示的标准化脉冲序列（如Rabi、Ramsey和CPMG序列）提供了一种量化量子比特行为的方法。原子量子比特的最终状态通常使用光子计数荧光测量方法被读取，计数率取决于量子比特的状态。这些荧光光子由单光子探测器 （SPD） 捕获，或者在大型阵列的情况下由CCD相机捕获。

图2:脉冲序列示例

每个序列可以看到分别以初始化开始、以被读取结束。通过施加不同序列的激光驱动脉冲，可以测量诸如退相干时间和相干时间等物理特性。

量子传感实际实现的技术挑战

量子传感最常见的技术挑战之一就是激光频率稳定。虽然激光通常被认为是稳定的单色光源，但实际上它们会受到频率漂移和噪声展宽的影响。特别是频率漂移，会导致原子跃迁失谐，从而导致非谐振驱动和探测。环境噪声（如温度变化和机械振动）也会带来不稳定。为了解决激光频率稳定性的问题，通常需要将激光器锁定到外部参考（例如高精度谐振腔或光频梳），这一过程涉及到波形发生器、锁相放大器、PID控制器等诸多设备的协同工作。在实际实验中如何高效便捷地同步部署这些设备，以产生稳定的反馈控制信号对于激光频率的稳定至关重要，然而传统分离式电学测量设备难以在实际操作中实现精确同步并提供便捷的解决方案。

另外，脉冲序列的时序和同步对于量子传感实验中原子比特的精确操控和读取只管重要。激光脉冲序列之间需要保持确定间隔；任何时序抖动都会降低Ramsey或Rabi实验中的相干性。特别是使用多种检测设备时，情况会更加复杂。设备（如：激光器、任意波形发生器、光电探测器）之间的异步触发会导致结果不可靠或错过事件。物理延迟线或参考时钟中的相位漂移也会引入系统误差。所以，这要求我们的测试测量设备不仅需要稳定的内部时钟参考，并且能够提供多种设备协同工作时的同步能力，另外在探测事件时间时需要提供高时间分辨率以及低时间抖动。

在量子传感任务中，如何从嘈杂的环境中获得精确的测量结果也至关重要。如前所述，环境电磁场噪声、激光强度波动等会掩盖微弱的信号。系统固有的漂移和噪声也会掩盖掉信号的微小的频率变化或相移。另外，在低信噪比 （SNR） 条件下对信号进行读取也面临巨大的技术难度，尤其是在低计数率系统中，例如针对单个离子进行测试测量。针对这项挑战，在实际实验中通常使用锁相放大器或者时间相关计数器设备对测量信号进行读取。但是复杂的噪声环境以及实验中对信号通道需求的日益提高，使得通常需要在实验中同时部署多个锁相放大器，并将其与PID控制器、任意波形发生器等设备同步使用，这在传统实验中使用分离式独立功能仪器的实现难度十分巨大，无法胜任当前量子传感实验系统中日益增长的需求。

量子传感实验的测试测量硬件

所以，为了应对这些技术挑战，需要新的硬件思路。在量子传感的各类实验平台中，尽管所用的物理系统差异较大（如离子、原子、光子或固态自旋），但对测试测量硬件提出了高度一致的通用要求：

1. 高稳定性

1. 高时序精度

1. 多设备协同

1. 集成控制能力
   
   

传统实验中，通常需要多个独立功能的仪器，这不仅增加了实验系统的复杂程度，也带来了时序漂移、信号一致性和设备管理、成本等挑战。

“Moku基于FPGA技术，将波形发生器、锁相放大器、时间间隔与频率分析仪、和激光锁频/稳频器等多种功能高度集成在一个设备上，支持实时高速的数字信号处理、低抖动的时钟架构以及可以随着实验需求的迭代，灵活更改仪器组合配置。这类设备不仅提高了实验的集成度，也在时序控制、同步触发、信号调制等方面显著缓解了量子传感实验中常见的瓶颈问题。因此，它正在成为越来越多原子系统实验的核心平台之一。”

波形发生器— Moku波形发生器支持最多四个通道的波形输出，通道和通道之间共享一个时钟总线，这意味着可以生成稳定时序的信号序列。除了正弦波、方波和脉冲波形选择之外，也提供了幅度、频率和相位的调制，甚至可以在通道之间进行互相调制，为量子系统的精确控制和调节提供更多灵活性。与声光调制器（AOM）和电光调制器（EOM）配合使用，可以灵活地对激光器进行门控和调制。与AOD（声光偏振器）可以实现静态阱整列和循址阱，同时它不会给实验带去额外的噪声，影响系统的相干时间。丰富的API开发可以实时调整波形参数，以此来快速地调整控制逻辑。这样在量子传感实验过程中对量子比特或量子态进行精准的调制和操控，确保系统在不同测量条件下的高精度表现。

锁相放大器— Moku锁相放大器具有极低的本底噪声，非常适合从复杂的背景噪声中提取微弱的量子信号，提升量子计量和传感实验的灵敏度。其丰富的调制源选项为量子传感实验提供了极高的灵活性。以信号处理链路框图进行显示，确保实验过程中的信号完整性和可追溯性。内置示波器和数据记录器既可以观察信号，也可以进行信号的记录。其中的辅助振荡器与锁相放大器使用同一个时钟总线，可以减少因时钟不同步带来的影响，确保量子传感系统的稳定性和相干性，尤其对于那些需要长时间稳定信号输出的量子测量任务至关重要。同时，锁相放大器也集成了PID控制器，使得量子计量系统能够根据测量结果动态调整控制参数，从而优化量子传感的准确性和响应速度。

时间间隔与频率分析仪— Moku时间间隔与频率分析仪最多配备了四个事件检测器和四个间隔分析仪，内置了实时且无损的统计数据和实时直方图显示，同时也可以通过内置的数据记录器高速记录事件的时间戳。在减少数据后处理工作的同时，因其低至0.78 ps的数字分辨率可以更加精确地捕捉和表征信号事件的发生。不论是进行光子计数实验，还是监测离子阱内的微动过程，科研人员都可以高效地获取实验数据并快速地推进到下一步实验进程。

Moku激光锁频/稳频器— Moku激光锁频/稳频器将激光锁频和稳频过程中所需的仪器集成在一个操作界面中，从扫描信号和调制信号的输出，到误差信号的解调，再到PID控制器，您都可以在一个界面中完成设置。内置的多通道示波器和数据记录器，既可以对不同阶段的信号进行全局监测，又可以对所需信号进行长时间的记录，这极大保证锁定过程的可靠性。独有的“锁定辅助”，如图3所示，再配合最多3个自定义带步骤的分阶段设置，让您可以更加快速地捕捉误差信号的过零交叉点。最后，快速PID控制器和慢速PID控制器的设置可以让您实现激光频率的长时间稳定，从而实现更高效的冷却过程和量子比特操控。

图3:通过示波器捕捉并显示的误差信号

三个过零交叉点分别对应载波频率以及调制引入的上下边带。任意一个交叉点都可以被选作锁定点。

量子传感的未来前景

为了推动该领域持续发展，测试测量设备不仅要具备高精度，更应具备灵活配置、系统集成和可扩展性。Moku等软件定义仪器正是这一发展趋势的典范，其在多种前沿量子实验中被验证为快速、可靠、可自定义的测控平台。

要了解有关Moku软件定义仪器如何推动量子传感实验发展的更多信息，请查看以下案例研究：

1. 加速量子光学中的多参数估计
   —了解量子计量研究人员如何利用基于FPGA的Moku:Lab来突破精度极限
   

1. 测量捕获离子的微动 —了解光学原子钟研究人员如何利用Moku时间间隔与频率分析仪测量囚禁离子的微运动，以此来提高离子阱的稳定性

本文转自昊量光电原厂Liquid Instruments！

参考文献

[1] C.  L. Degen, F. Reinhard, and P. Cappellaro, “Quantum sensing,” Reviews of Modern Physics, vol. 89, no. 3, Jul. 2017, doi//doi.org/10.1103/revmodphys.89.035002

[2] M. J. Biercuk, H. Uys, J. W. Britton, A. P. VanDevender, and J. J. Bollinger, “Ultrasensitive detection of force and displacement using trapped ions,” Nature Nanotechnology, vol. 5, no. 9, pp. 646–650, Aug. 2010, doi//doi.org/10.1038/nnano.2010.165