量子教學機講解方案

光學模塊：激光脈沖發(fā)生器、籠式光路、輻射結(jié)構(gòu)、金剛石和光電探測器。激光脈沖發(fā)生器產(chǎn)生520nm的綠色激光脈沖，用于金剛石中NV色心狀態(tài)的初始化和讀出?；\式光路將綠色的激光聚焦到金剛石上，金剛石中的NV色心在綠色激光的照射下，會發(fā)出紅色熒光。經(jīng)過濾光片，將產(chǎn)生的熒光聚焦到光電探測器中。光電探測器將光信號轉(zhuǎn)化成電信號，發(fā)送給控制采集模塊。微波模塊：NV色心自旋狀態(tài)的操控，是通過施加微波脈沖實現(xiàn)的。微波模塊中，微波源能產(chǎn)生特定頻率的微波信號，經(jīng)過微波開關調(diào)制成脈沖形式，然后經(jīng)過微波功率放大器，實現(xiàn)功率增強，最后進入微波輻射模塊，輻射到金剛石上?？刂撇杉K：分為脈沖控制部分以及信號采集處理部分。脈沖控制部分產(chǎn)生TTL信號，輸送給激光脈沖發(fā)生器、微波模塊和信號采集處理部分。一方面，用于調(diào)制激光脈沖，控制激光脈沖發(fā)生器的輸出，以及觸發(fā)微波開關，調(diào)制微波脈沖。另一方面，用于同步各個器件之間的時序。光電探測器將收集到的紅色熒光信號轉(zhuǎn)化成電信號，信號采集處理部分負責將采集到的這部分電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后展示出來。電源模塊：為實驗裝置中所有部件提供所需要的電能，其工作電壓為220V，50Hz交流電。本實驗內(nèi)容包含儀器調(diào)節(jié)實驗，連續(xù)波實驗，拉比振蕩實驗，回波實驗，T2實驗，動力學去耦實驗和D-J算法實驗。儀器調(diào)節(jié)實驗目的是搭建和調(diào)節(jié)儀器，熟悉光探測磁共振原理、NV色心能級結(jié)構(gòu)和儀器結(jié)構(gòu)。連續(xù)波實驗測量的是NV色心的光探測磁共振譜，用于確定共振頻率，理解量子比特概念。拉比振蕩實驗測量的是NV色心在微波驅(qū)動下的拉比振蕩，用來確定量子邏輯門對應的微波脈沖長度?；夭▽嶒灉y量的是回波信號，用來確定回波探測的時間。T2實驗展示量子疊加態(tài)的演化，測量NV色心的退相干時間。動力學去耦實驗通過設計脈沖序列在時間t內(nèi)平均掉量子比特與環(huán)境中的耦合，延長退相干時間。D-J算法實驗，則是利用金剛石NV色心體系，實現(xiàn)前面描述的DJ算法。為了實現(xiàn)量子邏輯門，需要對NV色心自旋的狀態(tài)進行操控。調(diào)控NV色心自旋態(tài)的使用的是自旋磁共振技術，即利用微波場與自旋的相互作用，來調(diào)控自旋態(tài)的演化。當施加一個額外交變磁場，自旋會感受一個力矩，使其從z軸向?z軸方向翻轉(zhuǎn)這個過程也叫作自旋的拉比振蕩，翻轉(zhuǎn)頻率也稱作拉比頻率。實現(xiàn)了拉比振蕩，即說明實現(xiàn)了對NV色心自旋的相干操控，量子比特在|0?態(tài)和|1?態(tài)之間振蕩。共振驅(qū)動的情況下，當ω1t=π時，量子比特從|0?態(tài)完全轉(zhuǎn)到了|1?態(tài)，即實現(xiàn)了一個非門操作，這個脈沖也叫作π脈沖。當ω1t=π/2時，我們得到|0?態(tài)和|1?的疊加態(tài)，即|0?→|0?+i|1?√2。這是量子計算中非常重要的邏輯門，這個脈沖也叫作π/2脈沖。任意序列實驗：區(qū)域3為實驗的參數(shù)配置區(qū)域。此區(qū)域中可以設置時基，用來規(guī)定輸出波形的橫坐標；設置采集通道，任意序列實驗選擇采集1，縱坐標范圍對應0-3.3V，光路調(diào)節(jié)實驗選擇采集2，對應縱坐標范圍0-100mV。區(qū)域1脈沖序列預覽區(qū)域中有8條不同顏色的線分別代表8個通道的脈沖序列。點擊右上角縮放按鈕，可進行界面的放大縮小，可觀察到范圍更寬的脈沖序列；區(qū)域2的脈沖序列編輯區(qū)域為一個表格，共有10列和100行，最后兩列為長度和步進數(shù)字輸入框。1至8列分別對應控制采集模塊中的通道1至通道8，每一個方框表示了當前狀態(tài)，如果方框顏色為綠色，則表示該通道在定義的長度和步進時間內(nèi)輸出的是高電平，否則為低電平。注意：每個通道的脈沖序列中單個方波脈沖的電平時間必須在10ns至2.5s范圍內(nèi)。光路調(diào)節(jié)：連接儀器，進入儀器調(diào)節(jié)實驗。光路調(diào)節(jié)需要設置激光脈沖序列，然后分別調(diào)節(jié)三個光路模塊調(diào)節(jié)螺釘，調(diào)整光路聚焦，光斑形狀，通過示波器檢測的輸出結(jié)果，判斷光路調(diào)節(jié)的好壞。連續(xù)波實驗：測量NV色心連續(xù)波譜的時候，收集的是其發(fā)出的熒光信號，這其中的物理基礎是，NV色心的自旋態(tài)能夠被激光初始化，并且發(fā)出熒光的亮度是依賴于自旋狀態(tài)的。施加微波到色心上，可以改變自旋在|ms=0?態(tài)和|ms=±1?態(tài)的布居，從而改變熒光強度。因為NV色心的熒光亮度是依賴于自旋態(tài)的。改變施加的微波頻率，當共振的微波改變了自旋狀態(tài)，熒光亮度會相應的發(fā)生改變。因此，但微波頻率與能級間隔共振時，譜線上會出現(xiàn)低谷。左側(cè)的低谷對應于|ms=0?→|ms=?1?的躍遷，右側(cè)的低谷對應于|ms=0?→|ms=1?的躍遷。根據(jù)塞曼效應，兩個低谷對應的頻率之差，正比于外磁場的大小。拉比振蕩實驗：首先打開激光，將NV色心自旋態(tài)初始化到|ms=0?，然后關閉激光，打開微波。微波脈沖的頻率等于共振頻率，最后再施加激光，將NV色心自旋態(tài)讀出。施加的微波脈沖寬度不同，自旋演化的狀態(tài)就不同。將微波脈沖寬度與熒光計數(shù)對應起來，就可以得到拉比振蕩的曲線。本實驗中需要用到|ms=0?→|ms=1?和ms=0?→|ms=?1?兩個躍遷頻率，所以微波模塊中有個兩個微波源，在進行拉比振蕩實驗的時候，用兩個波源（記為“MW1”和“MW2”）分別測定兩個頻率的拉比振蕩。分別記錄兩個頻率對應的π/2脈沖，π脈沖和2π脈沖的寬度。回波實驗：在磁共振實驗中，回波實驗是指，通過施加去耦脈沖的方式，讓自旋相干信號重聚的過程。首先用激光將NV色心自旋態(tài)初始化到|ms=0?態(tài)，然后施加π/2脈沖，將自旋制備到|0?態(tài)和|1?態(tài)的疊加態(tài)，自由演化時間τ=t1后，施加π脈沖，然后再等待自由演化時間τ=t，施加第二個π/2脈沖，將相干信息轉(zhuǎn)化成布居度讀出。T2實驗：T2實驗，也叫作自旋回波實驗，其目的是測量NV色心自旋的退相干時間。因為量子系統(tǒng)不是一個孤立系統(tǒng)，其與環(huán)境的相互作用，會引起退相干效應。首先用激光將NV色心自旋態(tài)初始化到|ms=0?態(tài)，然后施加π/2脈沖，將自旋制備到|0?態(tài)和|1?態(tài)的疊加態(tài)，自由演化時間τ=t2后，施加π脈沖，然后再等待自由演化時間τ=t2，施加第二個π/2脈沖，將相干信息轉(zhuǎn)化成布居度讀出。動力學去耦實驗：在前一節(jié)T2實驗中講到，量子系統(tǒng)不是一個孤立的系統(tǒng)，其與環(huán)境的相互作用，會引起退相干效應。而動力學去耦是能削弱或者完全去除這種耦合達到抑制退相干目的的最直觀方法之一。動力學去耦是磁共振波譜學中的平均哈密頓量方法的推廣，即通過精心設計脈沖操作序列的方法，在特定的時間內(nèi)平均掉量子比特與環(huán)境中的耦合。其中t為兩個π/2脈沖之間的自由演化時間間隔，整個脈沖序列中含有M個π脈沖，π/2脈沖與π脈沖之間有90°的相位差，每個π脈沖前后各有τ=t2的自由演化時間；N為實驗點數(shù)；fft為時間間隔的增量。零階動力學去耦，也稱為自由感應衰減實驗或T?2實驗，相干時間短，衰減速度快。D-J算法實驗：建造量子計算機的困難在于要找到一個可以編碼量子比特，并且能夠有效地被外界控制，但又與環(huán)境有很好的隔離，不致使系統(tǒng)很快退相干失去量子特性的物理系統(tǒng)。總結(jié)一下Deutsch算法的過程，我們將量子比特制備到|0?和|1?的疊加態(tài)，只需進行一次計算，就可以根據(jù)末態(tài)的測量結(jié)果是0還是1，來判斷f(x)是常函數(shù)還是平衡函數(shù)。根據(jù)經(jīng)典算法，則需進行兩次計算。將Deutsch算法的定義域從{0,1}推廣到{0,1}n，其解決方法即是D-J算法。D-J算法是最早提出的量子算法之一，雖然D-J算法解決的問題不具備太多實際意義，但該算法向人們展示了，解決某些問題時，量子計算能夠比經(jīng)典計算更高效。我們將量子比特和輔助比特均編碼到S=1的電子自旋上。Uf(x)=(?1)f(x)|x?，其中f(x)表示四個不同的函數(shù)，f1(x)=0和f2(x)=1是常函數(shù)，f3(x)=f4(x)=1?x是平衡函數(shù)，對于兩能級體系，Ufi的矩陣表示見圖4.27。實現(xiàn)量子算法時，我們將|0?和|?1?編碼成量子比特，|1?為輔助能級。在系統(tǒng)用激光初始化到|0?后，輸入態(tài)用MW1的π/2脈沖作用在|0?上而制備得到?？刂崎T（Ufi）通過2π脈沖的四種組合實現(xiàn)。當MW2的2