一种转动信息测量方法、装置及量子陀螺仪制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种转动信息测量方法、装置及量子陀螺仪，属于应用物理技术领域。所述转动信息测量方法，包括：将量子体系的量子态制备到叠加态，所述量子体系为金刚石内耦合的NV色心与

【技术实现步骤摘要】
一种转动信息测量方法、装置及量子陀螺仪
本专利技术提供一种转动信息测量方法、装置及量子陀螺仪，属于应用物理

技术介绍
陀螺仪是惯性测量技术的核心器件，在惯性导航、精确制导、自动化控制和基础物理研究等领域都有重要应用价值。发展高灵敏度、小型化的陀螺仪意义重大。目前前沿研究多集中在基于碱金属原子的自旋陀螺，近几年出现的固态中的点缺陷自旋量子体系如金刚石中的NV色心、SiC晶体中的SiV色心等为发展新式陀螺提供了可选择的全新物理实现体系。NV(Nitrogen-Vacancy)色心是金刚石中的一种点缺陷，它是由金刚石晶格中的一个N原子替位连接一个C原子空位组成的。由于优异的光学与自旋特性，金刚石NV色心固态量子比特近年来在量子信息、纳米尺度高灵敏度磁场、电场、温度以及自旋探测等领域得到广泛应用与研究。量子态在机械转动的作用下会产生Berry相位，通过测量相位信息可以得出转动信息。由于金刚石体内的电子和核自旋具备较长的相干时间，利用NV色心或包含NV色心的相关量子自旋体系在绝热机械转动的情况下实现Berry相位的测量并以此原理发展新式陀螺具备可行性。在量子物理中，若量子体系的哈密顿量H(R(t))与参数R有关，并且在参数空间随参数做绝热的周期性演化(R(T)＝R(0))，那么经过时间t以后，量子态的波函数除了得到动力学相位项exp(-iEt/h),还会得到另外一个相位项exp(iβ),即Berry相位项。考虑自旋沿相对于其量子轴为θ的轴做转动，对于绝热的转动过程，Berry相位与转过的立体角有关exp(iβn(C))＝exp(-inΩ(C))，当θ为常数时，以角速度ω转动时间t有βn(C)＝n(1-cosθ)ωt，其中n为自旋量子数，因此可以通过测量量子态Berry相位得到信息。利用该原理，目前已经相继提出了利用NV色心单量子比特(Maclaurin,D.,M.Doherty,etal.,"Measurablequantumgeometricphasefromarotatingsinglespin."PhysicalReviewLetters108,240403(2012).)、NV色心系综(Ledbetter,M.P.,K.Jensen,etal.,"Gyroscopesbasedonnitrogen-vacancycentersindiamond."PhysicalReviewA86,052116(2012).)、NV-14N系综(Ajoy,A.andP.Cappellaro.etal.,"Stablethree-axisnuclear-spingyroscopeindiamond."PhysicalReviewA86,062104(2012).)等量子体系实现陀螺仪的方案。在这其中，一方面，NV色心自旋系综量子比特受附近电子自旋和核自旋环境噪声的影响，其相干时间被限制在μS量级以下，严重限制了探测带宽和灵敏度。另一方面，基于NV-14N核自旋系综的陀螺仪其核自旋极化过程需要-510Gs较强磁场的参与，限制了其未来实际应用。
技术实现思路
本专利技术技术要解决的问题是：克服现有技术不足，提供一种转动信息测量方法、装置及量子陀螺仪，通过将金刚石内耦合的NV色心与13C核自旋一同作为量子体系进行转动信息测量，由于量子体系具备原子尺度的特征，使得转动信息测量的空间分辨率提升到纳米尺度，由于13C核自旋相干时间(ms)较NV色心电子自旋相干时间(μs)大很多，基于该量子体系实现的陀螺仪在探测灵敏度上有大幅提升，相较于NV-14N量子体系，本专利技术量子态极化过程无需强磁场的参与，极大降低了实现难度。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：一种转动信息测量方法，包括：将量子体系的量子态制备到叠加态，所述量子体系为金刚石内耦合的NV色心与13C核自旋；当所述量子体系转动时，确定所述叠加态中的量子态产生的Berry相位；根据确定的Berry相位确定转动信息。在一可选实施例中，所述将量子体系的量子态制备到叠加态，包括：获取量子体系中电子自旋和核自旋能级之间的跃迁频率与操控脉冲长度信息；根据所述跃迁频率与操控脉冲长度信息，对量子态进行极化、激发及自由演化操作，得到叠加态。在一可选实施例中，所述对量子态进行极化、激发及自由演化操作，得到叠加态，包括：对|0>态和|1>态进行极化，使所述|0>态和|1>态均变成|0>态；对|0>态进行激发，得到|1↓>态和|0↑>态；使所述|0↑>态以角速度ωL做拉莫尔进动，等待时间后，再次进行极化，得到|0↓>态；经时间后，再次进行激发，得到叠加态在一可选实施例中，所述确定所述叠加态中的量子态产生的Berry相位，包括：获取量子体系产生的荧光强度信息；根据所述荧光强度信息，确定所述Berry相位。一种转动信息测量装置，包括：量子态操控模块，用于将量子体系的量子态制备到叠加态，所述量子体系为金刚石内耦合的NV色心与13C核自旋；Berry相位确定模块，用于当所述量子体系转动时，确定所述叠加态中的量子态产生的Berry相位；转动角确定模块，用于根据确定的Berry相位确定转动信息。在一可选实施例中，所述量子态操控模块用于：获取量子体系中电子自旋和核自旋能级之间的跃迁频率与操控脉冲长度信息；根据所述跃迁频率与操控脉冲长度信息，对量子态进行极化、激发及自由演化操作，得到叠加态。在一可选实施例中，所述量子态操控模块用于：对|0>态和|1>态进行极化，使所述|0>态和|1>态均变成|0>态；对|0>态进行激发，得到|1↓>态和|0↑>态；使所述|0↑>态以角速度ωL做拉莫尔进动，等待时间后，再次进行极化，得到|0↓>态；经时间后，再次进行激发，得到叠加态在一可选实施例中，所述Berry相位确定模块，用于：获取量子体系产生的荧光强度信息；根据所述荧光强度信息，确定所述Berry相位。一种量子陀螺仪，包括转动信息测量装置、能级操控体系、金刚石及转动装置，所述金刚石含有耦合的NV色心与13C核自旋，且位于所述转动装置上，所述转动装置用于带动所述金刚石转动，所述能级操控体系用于操控量子体系的能级跃迁，所述量子体系为所述耦合的NV色心与13C核自旋，所述转动信息测量装置包括量子态操控模块、Berry相位确定模块和转动角确定模块，所述量子态操控模块用于控制所述能级操控体系将所述量子体系的量子态制备到叠加态，所述Berry相位确定模块用于当所述量子体系转动时，确定所述叠加态中的量子态产生的Berry相位，所述转动角确定模块用于根据确定的Berry相位确定转动信息。在一可选实施例中，所述的量子陀螺仪，还包括探测装置，用于探测并向所述Berry相位确定模块发送量子体系产生的荧光强度信息，所述Berry相位确定模块获取所述荧光强度信息，根据所述荧光强度信息，确定所述叠加态产生的Berry相位。在一可选实施例中，所述能级操控体系包括：激光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种转动信息测量方法，其特征在于，包括：将量子体系的量子态制备到叠加态，所述量子体系为金刚石内耦合的NV色心与

【技术特征摘要】
1.一种转动信息测量方法，其特征在于，包括：将量子体系的量子态制备到叠加态，所述量子体系为金刚石内耦合的NV色心与13C核自旋；当所述量子体系转动时，确定所述叠加态中的量子态产生的Berry相位；根据确定的Berry相位确定转动信息。2.根据权利要求1所述的转动信息测量方法，其特征在于，所述将量子体系的量子态制备到叠加态，包括：获取量子体系中电子自旋和核自旋能级之间的跃迁频率与操控脉冲长度信息；根据所述跃迁频率与操控脉冲长度信息，对量子态进行极化、激发及自由演化操作，得到叠加态。3.根据权利要求2所述的转动信息测量方法，其特征在于，所述对量子态进行极化、激发及自由演化操作，得到叠加态，包括：对|0>态和|1>态进行极化，使所述|0>态和|1>态均变成|0>态；对|0>态进行激发，得到|1↓>态和|0↑>态；使所述|0↑>态以角速度ωL做拉莫尔进动，等待时间后，再次进行极化，得到|0↓>态；经时间后，再次进行激发，得到叠加态4.根据权利要求1所述的转动信息测量方法，其特征在于，所述确定所述叠加态中的量子态产生的Berry相位，包括：获取量子体系产生的荧光强度信息；根据所述荧光强度信息，确定所述Berry相位。5.一种转动信息测量装置，其特征在于，包括：量子态操控模块，用于将量子体系的量子态制备到叠加态，所述量子体系为金刚石内耦合的NV色心与13C核自旋；Berry相位确定模块，用于当所述量子体系转动时，确定所述叠加态中的量子态产生的Berry相位；转动角确定模块，用于根据确定的Berry相位确定转动信息。6.根据权利要求5所述的转动信息测量装置，其特征在于，所述量子态操控模块用于：获取量子体系中电子自旋和核自旋能级之间的跃迁频率与操控脉冲长度信息；根据所述跃迁频率与操控脉冲长度信息，对量子态进行极化、激发及自由演化操作，得到叠加态。7.根据权利要求6所述的转动信息测量装置，其特征在于，所述量子态操控模块用于：对|0>态和|1>态进行极化，使所述|0>态和|1>态均变成|0>态；对|0>态进行激发，得到|...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋学瑞，王留军，冯付攀，刁文婷，段崇棣，
申请(专利权)人：西安空间无线电技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西,61