Arbitrary-Waveform-Generator in der Quantenforschung

| Redakteur: Hendrik Härter

Ein Arbitrary-Waveform-Generator in der Quantenforschung: Forscher setzten auf eine PCI-Express-Karte, um einzelne Ionen anzusprechen, die sich in einer Quantensimulator-Ionenfalle befinden.
Ein Arbitrary-Waveform-Generator in der Quantenforschung: Forscher setzten auf eine PCI-Express-Karte, um einzelne Ionen anzusprechen, die sich in einer Quantensimulator-Ionenfalle befinden. (Bild: Spectrum)

Präzision ist in der Quantenforschung wichtig: Forscher setzten auf eine PCI-Express-Karte, weil sie sich leicht programmieren und sich zudem in jeden PC integrieren lässt.

Das Institut für Quantenoptik und Quanteninformation an der Universität Innsbruck erzeugt mit einem Spectrum Arbitrary Waveform Generator (AWG) unterschiedliche Signale für Forschungen.

Es sind vor allem die vielen verschiedenen Anwendungen, wo ein leicht zu programmierender Wellenformen-Generator sinnvoll ist. Das Institut hat sich für die Spectrum M4i.6631-x8 entschieden, denn als PCI-Express-Karte lässt sich der AWG schnell in fast jeden PC integrieren.

Multi-Frequenz-Signal im HF-Spektrum

„Die Karte ist sehr vielseitig“, berichtet die Forscherin Christine Maier. „Zwei AWG-Kanäle, viele Trigger-Optionen, externe Takteingänge, Multi Replay und Gated Replay, Loop-Funktionen und sogar die Möglichkeit, zwei Triggereingänge durch logische Gates zu kombinieren. Dazu kommt die hohe Auflösung und eine Ausgaberate von 1,25 GS/s. Diese Karte war wegen der Summe ihrer Möglichkeiten die erste Wahl für die vielschichtigen Anforderungen in unserer aktuellen und zukünftigen Forschung.“ Die erste Anwendung der Forscher war es, ein Multi-Frequenz-Signal im HF-Spektrum zu erzeugen. Jede Frequenz-Komponente wird über eine Sinusfunktion erzeugt. Das entstehende Gesamtsignal wird benutzt, um simultan einzelne Ionen anzusprechen, die sich in einer Quantensimulator-Ionenfalle befinden.

Christine Maier erklärt: „Wir simulieren Quantenphänomene mithilfe gefangener, gekühlter Kalzium-Ionen. Das Ansprechen von einzelnen Ionen ist dabei besonders wichtig. Um das zu erreichen, schicken wir einen Laser durch einen akusto-optischen Deflektor. Die Frequenz des Signals, welches den Deflektor-Kristall anspricht, definiert den Ablenkungswinkel des Laserstrahls und bestimmt damit, welches Ion in der linearen Ionenkette angesprochen wird. Der AWG erlaubt uns jetzt, Signale mit multiplen Frequenzen mit frei wählbaren Amplituden zu erzeugen. So können wir mehrere Ionen in unserer Ionenkette gleichzeitig präzise ansteuern. Ein Vorteil dabei ist, das Experiment schneller durchführen zu können, weil wir nicht mehr ein Ion nach dem anderen einzeln ansprechen müssen.“

Mischfrequenzen auslöschen

Die zweite Anwendung ist es, unerwünschte Mischfrequenzen durch destruktive Interferenz auszulöschen. Die Mischfrequenzen entstehen, wenn man mit Multifrequenz-Signalen einen akustisch-optischen Modulator ansteuert. „Die Ansteuerung akusto-optischer Kristalle mit HF-Signalen ist eine grundlegende Technik in unseren Laboren", berichtet Maier. „Verwendet man Multifrequenz-Signale, treten durch Addition und Subtraktion von Frequenzen zusätzliche Mischterme auf, die dann auch auf den optischen Signalen, mit denen die Ionen manipuliert werden, als Störungen auftreten.

Dadurch entstehen zwei Probleme: 1. Die erwünschten Frequenzanteile verlieren Leistung. 2. Die Mischterme können mit Resonanzfrequenzen der Ionenkette überlappen, was das zu simulierende Quantenmodell leider zerstört. Durch die Integration des AWGs in einen Regelkreis können wir diese unerwünschten Mischterme mithilfe destruktiver Interferenz auslöschen.“

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