一种基于量子测地线跳跃的低频测量方法

本发明涉及量子测量，特别是涉及一种基于量子测地线跳跃的低频测量方法。

背景技术：

1、“量子传感”利用量子系统的量子特性和/或量子现象对物理量进行测量，该测量方法通常比传统测量方法拥有更高的分辨率和精度，能够对物理量的微小变化作出更精确的测量。现已研发出多种基于量子力学的传感器，包括基于原子、离子、超导电路等不同物理系统的量子传感器。量子传感器已应用于微磁场、电场、温度、压力等微物理量的检测，并取得巨大成功。

2、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。脉冲序列中的每一次脉冲操作就是一次解耦操作，一个脉冲序列就是一个解耦操作群。基于此，将量子动力学解耦法运用到环境频谱测量中，通过向量子系统施加周期性脉冲序列的控制场，使量子比特在环境场中发生共振现象，进而通过施加的控制场间接得到环境场的频谱。请参阅图1，该方法在测量环境场频谱时会产生不必要的伪信号；同时由于存在失谐误差和/或振幅误差，共振信号峰会发生漂移现象；给实际待测的环境信号的频谱分析带来困难并降低了测量的准确度。

技术实现思路

1、基于此，本发明提供一种基于量子测地线跳跃的低频测量方法，该方法简单可靠，能去除伪信号导致的杂峰并确保测量信号峰不发生漂移，得到一个干净、正确的待测信号频谱。

2、一种基于量子测地线跳跃的低频测量方法，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共振，进而得到待测信号的频率，其中，所述周期性的π脉冲序列中各脉冲的加载相位等间距改变，对应的脉冲宽度随脉冲加载相位的改变而改变，对应的脉冲加载等待时间随脉冲宽度的改变而改变。

3、进一步地，脉冲的加载相位按下述关系式进行等间距改变：

4、φj＝(2j-1)π/n，j∈(1,n)

5、其中，φj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z轴正半轴的夹角，n表示一周期内加载的总脉冲数。

6、进一步地，对应的脉冲宽度按下述关系式随脉冲加载相位的改变而改变：

7、

8、其中，tc,j表示第j个脉冲的脉冲宽度，表示一周期内加载的第j个脉冲的有效拉比频率，ω表示加载的第j个脉冲的电磁波的振幅，δj表示加载的第j个脉冲的电磁波的失谐量，其值表示为δj＝ω/tanφj。

9、进一步地，对应的脉冲加载等待时间按下述关系式随脉冲宽度的改变而改变：

10、δτj～j+1＝τ-(tc,j+tc,j+1)/2

11、其中，δτj～j+1表示加载完第j个脉冲至加载第j+1个脉冲前的等待时间，τ表示一周期内第j个脉冲中心至第j+1个脉冲中心的间隔时间。

12、进一步地，控制场的扫描频率表示为：

13、ωscan＝2π/tscan

14、其中，ωscan表示电磁波加载一周期脉冲的控制场的频率，tscan表示电磁波加载一周期脉冲所用的总时间，其值表示为tscan＝nτ。

15、相对于现有技术，通过设计的脉冲加载相位和等间距改变脉冲的失谐量得到不同脉冲宽度的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共振，间接得到待测信号的频率方法，能有效去除传统动态解耦法在测量待测信号频谱时产生的伪信号的杂峰，能克服环境干扰和控制场误差所造成的共振信号峰漂移，使测量结果更准确、鲁棒性更可靠。

16、同时，本发明还提供一种基于量子测地线跳跃的低频测量装置，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：

17、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、初相位，脉冲宽度和脉冲加载等待时间；

18、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，驱动量子比特在x-z平面与布洛赫球面相交的测地线上演化；

19、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|+>态，并在加载脉冲的作用下进行量子比特的态演化；

20、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；

21、所述脉冲加载程序被所述控制器执行时实现所述基于量子测地线跳跃的低频测量方法的步骤。

22、为了更好地理解和实施本发明，下面结合附图详细说明本发明。

技术特征：

1.一种基于量子测地线跳跃的低频测量方法，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共振，进而得到待测信号的频率，其特征在于，所述周期性的π脉冲序列中各脉冲的加载相位等间距改变，对应的脉冲宽度随脉冲加载相位的改变而改变，对应的脉冲加载等待时间随脉冲宽度的改变而改变。

2.如权利要求1所述的低频测量方法，其特征在于，所述脉冲的加载相位按下述关系式进行等间距改变：

3.如权利要求2所述的低频测量方法，其特征在于，所述对应的脉冲宽度按下述关系式随脉冲加载相位的改变而改变：

4.如权利要求3所述的低频测量方法，其特征在于，所述对应的脉冲加载等待时间按下述关系式随脉冲宽度的改变而改变：

5.如权利要求1-4任一项所述的低频测量方法，其特征在于，所述的控制场的扫描频率表示为：

6.如权利要求5所述的低频测量方法，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

7.如权利要求6所述的低频测量方法，其特征在于，所述调节扫描频率的方法包括如下步骤：

8.如权利要求6所述的高频测量方法，其特征在于，向量子比特施加m个周期的扫描频率为ωscan-i、脉冲数为n的周期性脉冲序列，再测量量子比特的态演化m个周期后在初态|+>的布居数信号。

9.如权利要求8所述的低频测量方法，其特征在于，向量子比特施加m个周期的扫描频率为ωscan-i、脉冲数为n的周期性脉冲序列，得到总脉冲数为n*m的总脉冲序列，将总脉冲序列均分为第一子脉冲序列和第二子脉冲序列，在不改变其他操作条件的基础上，取第一子脉冲序列或第二子脉冲序列的加载电磁波的相位为λ＝π、失谐量δ＝-(ω0-ωc)、有效拉比频率为

10.一种基于量子测地线跳跃的低频测量装置，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：

技术总结
本发明涉及一种基于量子测地线跳跃的低频测量方法，包括向处于待测信号的环境场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共振，进而得到待测信号的频率，所述周期性的π脉冲序列中各脉冲的加载相位等间距改变，对应的脉冲宽度随脉冲加载相位的改变而改变，对应的脉冲加载等待时间随脉冲宽度的改变而改变。本发明所述的测量方法能有效去除传统动态解耦法在测量待测信号频谱时产生的伪信号的杂峰，能克服环境干扰和控制场误差所造成的共振信号峰漂移，使测量结果更准确、鲁棒性更可靠。

技术研发人员：王振宇,曾轲
受保护的技术使用者：华南师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15