一种跳跃式增加脉冲相位的量子外差频谱测量方法技术

本发明专利技术涉及一种跳跃式增加脉冲相位的量子外差频谱测量方法，包括向置于待测信号的环境场中的量子比特施加一周期性的π脉冲序列的控制场，通过周期性的π脉冲序列拟合出控制场的扫描频率，通过调节所述的扫描频率使量子比特在待测信号的环境场中产生外差共振效应，进而得到待测信号的频率，其中，所述周期性的π脉冲序列中相邻脉冲加载相位的角度差为一定值，各脉冲对应的加载电磁波初始相位随各脉冲加载相位的改变而改变。本发明专利技术所述的测量方法能去除传统动外差驱动法在测量高频的待测信号频谱时产生的伪信号杂峰，并能在一定范围内克服环境干扰和控制场误差所造成的影响。内克服环境干扰和控制场误差所造成的影响。内克服环境干扰和控制场误差所造成的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种跳跃式增加脉冲相位的量子外差频谱测量方法


[0001]本专利技术涉及量子测量
，特别是涉及一种跳跃式增加脉冲相位的高频测量方法。

技术介绍

[0002]“量子传感”利用量子系统的量子相干、量子纠缠、量子压缩等量子属性对待测量参数进行测量，该测量方法的灵敏度和分辨率等性能指标超越现有技术的测量方法，能够对待测量参数的微小变化作出更精确的测量。其具有重要的学术价值和应用前景，有望为物理、材料、生物、医学等多个领域的基础研究提供有力的实验工具，并在研制具有重大应用潜力的新型精密测量装置中发挥重要的作用。
[0003]目前，国内外已提出多种利用量子传感器进行频谱测量的方法，其中采用的量子动力学解耦法的基本思想是向量子系统施加一设计的控制场，通过引进的控制场选择性的消除系统总哈密顿量中与环境相互作用项，使量子系统与环境解耦，进而保持量子系统状态的相干性。该思想的实现是通过设计周期性地瞬时超强快的脉冲序列作为控制场，抵消量子系统与环境形成的复合系统的总哈密顿量中量子系统与环境的相互作用项。由于受限于施加脉冲的速度，该方法通常只能测量频率不高的信号。基于此，有研究人员利用外差驱动方案，将量子系统的频率与量子动力学解耦脉冲序列的驱动频率混合，以提高测量的频率范围。请参阅图1，现有的外差驱动方法中每个单频的待测信号都会在频谱上产生伪信号峰，这种频域上的信号重影给实际待测信号的真实频率分析带来困难。

技术实现思路

[0004]基于此，本专利技术提供一种跳跃式增加脉冲相位的高频测量方法，该方法简单且鲁棒性可靠，能消除高频测量频谱上的信号重影，得到一个干净的待测信号频谱。
[0005]一种跳跃式增加脉冲相位的高频测量方法，包括：向置于待测信号的环境场中的量子比特施加一周期性的π脉冲序列的控制场，通过周期性的π脉冲序列拟合出控制场的扫描频率，通过调节所述的扫描频率使量子比特在待测信号的环境场中产生外差共振效应，进而得到待测信号的频率，其中，所述周期性的π脉冲序列中相邻脉冲加载相位的角度差为一定值，各脉冲对应的加载电磁波初始相位随各脉冲加载相位的改变而改变。
[0006]进一步地，相邻脉冲的加载相位的角度差为：
[0007]Δφ＝φ
j+1
‑
φ
j
＝2π/N，j∈(1,N)
[0008]其中，φ
j
＝(2j
‑
1)π/N表示表示一周期内加载的第j个脉冲在量子测地线上的加载相位与布洛赫球X轴正半轴的夹角，φ
j+1
＝[2(j+1)
‑
1]π/N表示一周期内加载的第j+1个脉冲在量子测地线上的加载相位与布洛赫球X轴正半轴的夹角，N表示一周期内加载的总脉冲数。
[0009]进一步地，各脉冲对应的加载电磁波初始相位按下述关系式随各脉冲加载相位的改变而改变：
[0010]λ
j
＝φ
j
＝(2j
‑
1)π/N
[0011]其中，λ
j
表示一周期内加载的第j个脉冲的加载电磁波的初始相位。
[0012]进一步地，所述的控制场的扫描频率表示为：
[0013]ω
scan
＝2π/T
scan
＝2π/[N(t
p
+Δτ)][0014]其中，ω
scan
表示单位时间内脉冲相位增加的速率，T
scan
表示电磁波加载一周期脉冲所用的总时间，其值表示为T
scan
＝N(t
p
+Δτ)，N表示一周期内加载的总脉冲数，t
p
表示脉冲宽度，Δτ脉冲加载等待时间。
[0015]相对于现有技术，通过设计的脉冲加载相位等间距改变、各脉冲加载电磁波初始相位随各脉冲加载相位的改变而改变的周期性π脉冲序列作为控制场，并通过调节拟合的控制场扫描频率使量子比特在待测信号的环境场中产生外差共振效应，间接得到高频待测信号的频率方法，本专利技术所述的测量方法能去除传统动外差驱动法在测量高频的待测信号频谱时产生的伪信号杂峰，并能克服环境干扰和控制场误差所造成的影响。
[0016]同时，一种跳跃式增加脉冲相位的高频测量装置，包括控制器，脉冲发生器、量子传感器、信号分析器以及存储在所述控制器上并可在所述控制器上运行的脉冲加载程序：
[0017]所述控制器用于执行存储在其上的脉冲加载程序，向脉冲发生器输出脉冲加载控制信号，输出的控制参数包括：加载周期数，一周期脉冲数，脉冲加载相位，加载电磁波的振幅、频率、初始相位，脉冲宽度和脉冲加载等待时间；
[0018]所述脉冲发生器用于接收控制器输出的脉冲加载控制信号，并根据所述加载控制信号向量子传感器加载脉冲序列，驱动量子比特的态绕着X
‑
Y平面的脉冲轴进行演化；
[0019]所述量子传感器置于环境场中用于将量子比特的态初始化到|0>态，并在加载脉冲的作用下进行量子比特的态演化；
[0020]所述信号分析器用于接收量子传感器输出的量子比特的态在不同扫描频率的脉冲序列的驱动下演化的布居数信号，并根据布居数信号
‑
扫描频率的频谱图分析出环境中待测信号的频率；
[0021]所述脉冲加载程序被所述控制器执行时实现所述跳跃式增加脉冲相位的高频测量方法的步骤。
[0022]为了更好地理解和实施本专利技术，下面结合附图详细说明本专利技术。
附图说明
[0023]图1现有高频测量方法和本专利技术高频测量方法的效果对比，脉冲数N＝40；
[0024]图2环境场待测信号频率与控制场脉冲扫描频率、加载电磁波频率的关系示意图；
[0025]图3量子比特绕着布洛赫球X
‑
Y平面上加载脉冲相位示意图，脉冲数N＝10；
[0026]图4施加一个周期控制场π脉冲序列示意图；
[0027]图5施加M个周期控制场π脉冲的测量示意图；
[0028]图6施加M个周期控制场脉冲相位的测量示意图；
[0029]图7控制场施加的一周期内脉冲数不等的待测信号对比频谱图，周期数M＝10；
[0030]图8控制场施加的不同失谐误差的待测信号对比频谱图；
[0031]图9控制场有无进行误差消除操作的待测信号对比频谱图。
具体实施方式
[0032]本专利技术的专利技术人经研究发现若要消除外差驱动方法在频谱上产生的重影需要对控制场脉冲序列的加载方式进行适配性设计以控制量子态按照设定的演化路径演化。通过将经恒定磁场量子化的量子系统置于设计的按一定规律调控的控制场与环境场的复合场中，使量子比特的量子态演化服从复合场的哈密顿量表示。
[0033]具体实施时，采用恒定外强磁场作为激发场，使位于环境场中的NV电子产生塞曼分裂，并选取NV电子自旋|0>态和自旋|1>态构成二能级系统；接着该二能级系统施加一波函数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种跳跃式增加脉冲相位的量子外差频谱测量方法，包括：向置于待测信号的环境场中的量子比特施加一周期性的π脉冲序列的控制场，通过周期性的π脉冲序列拟合出控制场的扫描频率，通过调节所述的扫描频率使量子比特在待测信号的环境场中产生外差共振效应，进而得到待测信号的频率，其特征在于，所述周期性的π脉冲序列中相邻脉冲加载相位的角度差为一定值，各脉冲对应的加载电磁波初始相位随各脉冲加载相位的改变而改变。2.如权利要求1所述的高频测量方法，其特征在于，所述相邻脉冲的加载相位的角度差为：Δφ＝φ
j+1
‑
φ
j
＝2π/N，j∈(1,N)其中，φ
j
＝(2j
‑
1)π/N表示一周期内加载的第j个脉冲在量子测地线上的加载相位与布洛赫球X轴正半轴的夹角，φ
j+1
＝[2(j+1)
‑
1]π/N表示一周期内加载的第j+1个脉冲在量子测地线上的加载相位与布洛赫球X轴正半轴的夹角，N表示一周期内加载的总脉冲数。3.如权利要求2所述的高频测量方法，其特征在于，所述各脉冲对应的加载电磁波初始相位按下述关系式随各脉冲加载相位的改变而改变：λ
j
＝φ
j
＝(2j
‑
1)π/N其中，λ
j
表示一周期内加载的第j个脉冲的加载电磁波的初始相位。4.如权利要求1
‑
3任一项所述的高频测量方法，其特征在于，所述的控制场的扫描频率表示为：ω
scan
＝2π/T
scan
＝2π/[N(t
p
+Δτ)]其中，ω
scan
表示单位时间内脉冲相位增加的速率，T
scan
表示电磁波加载一周期脉冲所用的总时间，其值表示为T
scan
＝N(t
p
+Δτ)，N表示一周期内加载的总脉冲数，t
p
表示脉冲宽度，Δτ脉冲加载等待时间。5.如权利要求4所述的高频测量方法，其特征在于，在向量子比特施加控制场前，将量子比特的态制备到0态。6.如权利要求5所述的高频测量方法，其特征在于，所述调节扫描频率的方法包括如下步骤：等待Δτ/2的时间，向初态为0态的量子比特施加第1个π脉冲，脉冲加载相位φ1＝π/N，加载电磁波的初始相位λ1＝π/N，脉冲宽度t
p
＝π/Ω，使态绕加载相位轴翻转180度；等待Δτ的时间，向量子比特施加第2个π脉冲，脉冲加载相位φ2＝3π/N，加载电磁波的初始相位λ2＝3π/N，脉冲宽度t
p
＝π/Ω，使态绕加载相位轴翻转180度；...

【专利技术属性】
技术研发人员：王振宇，俞晓慧，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：