挑戰(zhàn):

開發(fā)一種定制的時域數(shù)字轉(zhuǎn)換器來研究光與物質(zhì)相互作用的基本量子性質(zhì)。

解決方案:
使用NI公司的 FlexRIO 與 LabVIEW FPGA模塊來創(chuàng)建強(qiáng)大的，多功能的定制儀器，從而使我們可以用硬件實(shí)現(xiàn)時間嚴(yán)格任務(wù)的實(shí)時處理。這樣可以實(shí)現(xiàn)對極小系統(tǒng)的反饋控制，甚至于單個原子與單個光子的相互作用。

反饋是控制動態(tài)系統(tǒng)最強(qiáng)有力的技術(shù)之一。我們實(shí)驗(yàn)室研究的系統(tǒng)含有一個單獨(dú)的，與單個光子相互作用的中性孤立原子——量子化電磁場的本征激發(fā)——被高反射性的腔式鏡面所環(huán)繞(如圖 1和 2)。使用這套系統(tǒng)，我們可以研究光與物質(zhì)相互作用的基本量子性質(zhì)，要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)必須將原子限制在腔鏡的中央。然而，固有的加熱過程更傾向于將原子推向其它位置。我們的目標(biāo)是通過快速的電子反饋技術(shù)來抑制這種運(yùn)動，使用回復(fù)力抵消這種逃逸運(yùn)動。其基本原理如圖3所示。運(yùn)動的不可預(yù)測性使得針對它的反應(yīng)必須快速，但是系統(tǒng)的量子特性限制了信息量的提取。因此，我們必須在100ns內(nèi)，快速執(zhí)行基于單個光子探測決策過程。我們展示的反饋方案[1,2]在這方面做得非常好。

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圖2. 用于單個原 子和光子實(shí)驗(yàn)的光學(xué) 諧振腔（紅色）

解決這一棘手任務(wù)的關(guān)鍵電子元件是NI PXI-7954R NI FlexRIO FPGA模塊，結(jié)合NI 6581高速數(shù)字輸入輸出適配器模塊。使用適配器模塊的主要意圖是通過緩沖暴露的FPGA引腳的數(shù)字輸入與輸出，防止損壞。NI FlexRIO模塊被安裝在NI PXIe-1075機(jī)箱上，它具有NI PXIe-8130集成主機(jī)控制器。FPGAs是特殊的可重配置的集成電路，因此它們可以達(dá)到由硬件實(shí)現(xiàn)的高性能， 同時在整個設(shè)計過程中可以實(shí)現(xiàn)很高程度的通用性。 這一點(diǎn)，連同它們固有的并行性，可以提供快速與確定性的執(zhí)行過程，從而使它們在科學(xué)研究與工業(yè)生產(chǎn)中成為廣泛而有力的工具。NI FlexRIO模塊具有兩個主要優(yōu)勢。首先，它允許通過LabVIEW FPGA 模塊快捷地為FPGA編程， 我們可以使用這種圖形化的設(shè)計語言來設(shè)計高層的FPGA電路，同時如果有必要，它也集成了常用的，底層的VHDL代碼。其次，F(xiàn)lexRIO模塊直接將FPGA引腳展現(xiàn)給用戶，能夠?qū)崿F(xiàn)高度定制的I/O。因此，它允許定制的，高性能硬件的創(chuàng)建。在我們的應(yīng)用中，我們開發(fā)了一套定制的時域數(shù)字轉(zhuǎn)換器，它能夠以一個納秒的分辨率對多個數(shù)字通路進(jìn)行采樣，處理實(shí)時數(shù)據(jù)，運(yùn)用反饋算法，并向用戶輸出重要的信息。

具有1 ns分辨率與64位動態(tài)范圍的四通道時域數(shù)字轉(zhuǎn)換器
工作在很低的光強(qiáng)下，要求使用的設(shè)備能夠探測單個光子。這些設(shè)備，稱為單光子計數(shù)模塊(SPCM)，是基于雪崩光電二極管制造的，并能在探測到單個光子的時候發(fā)射數(shù)字電子脈沖(如圖4所示)。我們使用由美國珀金埃爾默(PerkinElmer?)公司制造的設(shè)備(AQR-14)。脈沖的上升沿能夠以350皮秒的精確度表示出光子的到達(dá)時間。對于我們的應(yīng)用來說，1 ns的分辨率剛好需要FPGA對每個連接到SPCM的數(shù)字通路以1 GHz的頻率采樣。

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圖3. a）一個光 子探測器監(jiān)測原子的 位置。 NI FlexRIO FPGA處理信號并 且控制光纖勢能。 b）當(dāng)原子向中心移 動，勢能降低，反之 亦然，從而引起原子 失去動能。