隨著量子科學的快速發展，原子系統在時間、頻率與場強等物理量測量中所展現的優異精度與穩定性越來越受到研究人員的重視。從基礎物理的研究，到導航、通信等應用，基于原子系統的量子傳感與計量正逐步成為推動科研和工程前沿的“精密引擎”。然而，從理論到實踐并非易事：激光頻率漂移、系統固有噪聲、時序誤差以及測試測量設備間的不同步，常常限制著實驗性能的上限。本文聚焦于如何利用原子系統實現高精度量子傳感與計量，并系統性探討相關領域所面臨的核心技術挑戰以及對測試測量設備的需求。我們進一步展示了Moku這種基于 FPGA 的測控一體化設備如何通過高集成度、高靈活度與優異的時鐘架構，有效支撐現代量子實驗中對多設備協同工作、高速信號處理與同步控制的關鍵需求。

量子計量與量子傳感

與傳統技術相比，原子系統的量子特性可以提高觀測物理現象的精度。這些備受關注的研究領域被稱為量子計量學或量子傳感。具體應用包括用于提高頻率標準的光學原子鐘、用于生物醫學和地質應用的磁力計以及用于在沒有GPS的環境中導航的重力傳感器和慣性傳感器。雖然這些方案的應用前景廣闊，但這些技術在實施過程中卻面臨巨大挑戰。我們通過對測試測量設備硬件性能的提升，比如提高探測器時間分辨率、降低抖動以及引入主動反饋控制等機制對實際實施面臨的困難進行解決。

雖然量子計量學和量子傳感的息息相關，但有一些細微的區別。量子計量學側重于提高時間和頻率等測量的精度，通常使用糾纏和壓縮等量子效應。相比之下，量子傳感是指以原子級的靈敏度檢測微弱的信號，例如電磁場和引力場。這兩個領域深深地交織在一起;它們通常使用相似的技術，并且性能優異的傳感器本身也是一種精確的計量設備。請繼續閱讀，探索一些特定的傳感和計量技術。

基于光-原子相互作用的量子傳感

量子傳感器的基本要求是所討論的系統具有離散的、可解析的能級，可以在保留其量子信息的同時操控系統狀態，并且狀態也可以被“讀取”或測量[1]。原子系統，如離子阱系統和中性原子陣列，是理想的量子傳感器，因為它們具有簡單的能級結構和較長的相干時間，這提高了可能實現的精度。

傳感器通常被用于探測一個特定的物理量。磁力測量就是這樣一種應用，它涉及對磁場強度和梯度進行靈敏地檢測。冷原子云特別適合這類應用，因為它們通過塞曼效應對施加的磁場產生很強的響應。相比之下，離子阱通常更適用于電場和力的測量。利用斯塔克效應（類似于塞曼效應，但具有電場），離子阱傳感器可以測量單個原子量級上的應力和位移[2]。使用冷原子的引力傳感器可以通過原子干涉測量法測量因重力引起的加速度的微小變化。使用保持精確間隔的激光脈沖，可以將冷原子組引導到不同的軌跡上，其中一條路徑由于引力而積累額外的相位。最后，利用某些種類原子內的超穩“時鐘”躍遷特性，光學原子鐘有望用作絕對頻率參考。

圖1:原子量子比特系統

左圖：離子被注入射頻（RF）阱中，在不同波長的激光（藍色、綠色和紫色箭頭）作用下進行被冷卻、探測和讀取。熒光信號通過光電倍增管（PMT）進行探測。

右圖：中性原子在經過冷卻后被囚禁在磁光阱（MOT）中，冷卻過程依賴于四極磁場與相向傳播的激光束的共同作用。在被讀取之前，探針信號用于操控原子的量子態。

雖然某些應用會傾向選擇其中一種系統，但這些原子系統的操控方式依賴于一些共同的技術。首先，離子和中性原子都必須冷卻，以便它們可以被射頻場或磁光阱“捕獲”，如圖1所示。這個過程包括將原子注入真空室，并利用稱為多普勒和邊帶冷卻過程，從而產生凈能量損失并降低熱噪聲。

冷卻后，這兩種類型的原子量子比特都使用保持精確間隔的激光脈沖（通常稱為探測光）進行操控和讀取。根據原子的種類，選擇兩個能級作為經典的“0”和“1”狀態。當施加與該躍遷能級共振的激光時，原子將在量子態之間振蕩。如圖2所示的標準化脈沖序列（如Rabi、Ramsey和CPMG序列）提供了一種量化量子比特行為的方法。原子量子比特的最終狀態通常使用光子計數熒光測量方法被讀取，計數率取決于量子比特的狀態。這些熒光光子由單光子探測器 （SPD） 捕獲，或者在大型陣列的情況下由CCD相機捕獲。

圖2:脈沖序列示例

每個序列可以看到分別以初始化開始、以被讀取結束。通過施加不同序列的激光驅動脈沖，可以測量諸如退相干時間和相干時間等物理特性。

量子傳感實際實現的技術挑戰

量子傳感最常見的技術挑戰之一就是激光頻率穩定。雖然激光通常被認為是穩定的單色光源，但實際上它們會受到頻率漂移和噪聲展寬的影響。特別是頻率漂移，會導致原子躍遷失諧，從而導致非諧振驅動和探測。環境噪聲（如溫度變化和機械振動）也會帶來不穩定。為了解決激光頻率穩定性的問題，通常需要將激光器鎖定到外部參考（例如高精度諧振腔或光頻梳），這一過程涉及到波形發生器、鎖相放大器、PID控制器等諸多設備的協同工作。在實際實驗中如何高效便捷地同步部署這些設備，以產生穩定的反饋控制信號對于激光頻率的穩定至關重要，然而傳統分離式電學測量設備難以在實際操作中實現精確同步并提供便捷的解決方案。

另外，脈沖序列的時序和同步對于量子傳感實驗中原子比特的精確操控和讀取只管重要。激光脈沖序列之間需要保持確定間隔；任何時序抖動都會降低Ramsey或Rabi實驗中的相干性。特別是使用多種檢測設備時，情況會更加復雜。設備（如：激光器、任意波形發生器、光電探測器）之間的異步觸發會導致結果不可靠或錯過事件。物理延遲線或參考時鐘中的相位漂移也會引入系統誤差。所以，這要求我們的測試測量設備不僅需要穩定的內部時鐘參考，并且能夠提供多種設備協同工作時的同步能力，另外在探測事件時間時需要提供高時間分辨率以及低時間抖動。

在量子傳感任務中，如何從嘈雜的環境中獲得精確的測量結果也至關重要。如前所述，環境電磁場噪聲、激光強度波動等會掩蓋微弱的信號。系統固有的漂移和噪聲也會掩蓋掉信號的微小的頻率變化或相移。另外，在低信噪比 （SNR） 條件下對信號進行讀取也面臨巨大的技術難度，尤其是在低計數率系統中，例如針對單個離子進行測試測量。針對這項挑戰，在實際實驗中通常使用鎖相放大器或者時間相關計數器設備對測量信號進行讀取。但是復雜的噪聲環境以及實驗中對信號通道需求的日益提高，使得通常需要在實驗中同時部署多個鎖相放大器，并將其與PID控制器、任意波形發生器等設備同步使用，這在傳統實驗中使用分離式獨立功能儀器的實現難度十分巨大，無法勝任當前量子傳感實驗系統中日益增長的需求。

量子傳感實驗的測試測量硬件

所以，為了應對這些技術挑戰，需要新的硬件思路。在量子傳感的各類實驗平臺中，盡管所用的物理系統差異較大（如離子、原子、光子或固態自旋），但對測試測量硬件提出了高度一致的通用要求：

1. 高穩定性

1. 高時序精度

1. 多設備協同

1. 集成控制能力
   
   

傳統實驗中，通常需要多個獨立功能的儀器，這不僅增加了實驗系統的復雜程度，也帶來了時序漂移、信號一致性和設備管理、成本等挑戰。

“Moku基于FPGA技術，將波形發生器、鎖相放大器、時間間隔與頻率分析儀、和激光鎖頻/穩頻器等多種功能高度集成在一個設備上，支持實時高速的數字信號處理、低抖動的時鐘架構以及可以隨著實驗需求的迭代，靈活更改儀器組合配置。這類設備不僅提高了實驗的集成度，也在時序控制、同步觸發、信號調制等方面顯著緩解了量子傳感實驗中常見的瓶頸問題。因此，它正在成為越來越多原子系統實驗的核心平臺之一。”

波形發生器— Moku波形發生器支持最多四個通道的波形輸出，通道和通道之間共享一個時鐘總線，這意味著可以生成穩定時序的信號序列。除了正弦波、方波和脈沖波形選擇之外，也提供了幅度、頻率和相位的調制，甚至可以在通道之間進行互相調制，為量子系統的精確控制和調節提供更多靈活性。與聲光調制器（AOM）和電光調制器（EOM）配合使用，可以靈活地對激光器進行門控和調制。與AOD（聲光偏振器）可以實現靜態阱整列和循址阱，同時它不會給實驗帶去額外的噪聲，影響系統的相干時間。豐富的API開發可以實時調整波形參數，以此來快速地調整控制邏輯。這樣在量子傳感實驗過程中對量子比特或量子態進行精準的調制和操控，確保系統在不同測量條件下的高精度表現。

鎖相放大器— Moku鎖相放大器具有極低的本底噪聲，非常適合從復雜的背景噪聲中提取微弱的量子信號，提升量子計量和傳感實驗的靈敏度。其豐富的調制源選項為量子傳感實驗提供了極高的靈活性。以信號處理鏈路框圖進行顯示，確保實驗過程中的信號完整性和可追溯性。內置示波器和數據記錄器既可以觀察信號，也可以進行信號的記錄。其中的輔助振蕩器與鎖相放大器使用同一個時鐘總線，可以減少因時鐘不同步帶來的影響，確保量子傳感系統的穩定性和相干性，尤其對于那些需要長時間穩定信號輸出的量子測量任務至關重要。同時，鎖相放大器也集成了PID控制器，使得量子計量系統能夠根據測量結果動態調整控制參數，從而優化量子傳感的準確性和響應速度。

時間間隔與頻率分析儀— Moku時間間隔與頻率分析儀最多配備了四個事件檢測器和四個間隔分析儀，內置了實時且無損的統計數據和實時直方圖顯示，同時也可以通過內置的數據記錄器高速記錄事件的時間戳。在減少數據后處理工作的同時，因其低至0.78 ps的數字分辨率可以更加精確地捕捉和表征信號事件的發生。不論是進行光子計數實驗，還是監測離子阱內的微動過程，科研人員都可以高效地獲取實驗數據并快速地推進到下一步實驗進程。

Moku激光鎖頻/穩頻器— Moku激光鎖頻/穩頻器將激光鎖頻和穩頻過程中所需的儀器集成在一個操作界面中，從掃描信號和調制信號的輸出，到誤差信號的解調，再到PID控制器，您都可以在一個界面中完成設置。內置的多通道示波器和數據記錄器，既可以對不同階段的信號進行全局監測，又可以對所需信號進行長時間的記錄，這極大保證鎖定過程的可靠性。獨有的“鎖定輔助”，如圖3所示，再配合最多3個自定義帶步驟的分階段設置，讓您可以更加快速地捕捉誤差信號的過零交叉點。最后，快速PID控制器和慢速PID控制器的設置可以讓您實現激光頻率的長時間穩定，從而實現更高效的冷卻過程和量子比特操控。

圖3:通過示波器捕捉并顯示的誤差信號

三個過零交叉點分別對應載波頻率以及調制引入的上下邊帶。任意一個交叉點都可以被選作鎖定點。

量子傳感的未來前景

為了推動該領域持續發展，測試測量設備不僅要具備高精度，更應具備靈活配置、系統集成和可擴展性。Moku等軟件定義儀器正是這一發展趨勢的典范，其在多種前沿量子實驗中被驗證為快速、可靠、可自定義的測控平臺。

要了解有關Moku軟件定義儀器如何推動量子傳感實驗發展的更多信息，請查看以下案例研究：

1. 加速量子光學中的多參數估計
   —了解量子計量研究人員如何利用基于FPGA的Moku:Lab來突破精度極限
   

1. 測量捕獲離子的微動 —了解光學原子鐘研究人員如何利用Moku時間間隔與頻率分析儀測量囚禁離子的微運動，以此來提高離子阱的穩定性

本文轉自昊量光電原廠Liquid Instruments！

參考文獻

[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