一种磁敏感态跃迁频率的自动校准方法

本发明属于原子量子计算，具体涉及一种磁敏感态跃迁频率的自动校准方法，适用于跃迁频率的自动校准。

背景技术：

1、在进行冷原子的操控时，通常需要对原子的能态进行操控，而原子的能态在磁场作用下会发生塞曼劈裂而产生超精细能级结构，原子的磁量子数mf不为0的超精细能级会随磁场大小发生移动，因此，当实验中需要对mf不为0的能态进行操控时，磁场噪声的变化会导致能态之间的跃迁频率发生变化。在原有实验中，通常会选择添加磁屏蔽材料包围实验系统用于降低磁场背景噪声对原子能态的影响，但是不能屏蔽产生磁场线圈的电流噪声导致的磁场起伏，且很多地方不方便添加磁屏蔽材料。所以在实验上，为了应对磁场起伏导致的跃迁频率的变化，需要时常对跃迁频率进行校准测量，从而保证能态操控的保真度。以拉曼边带冷却为例，通常选用原子的两个磁敏感态用作冷却循环，但是实验上的磁场起伏会导致边带冷却的跃迁频率发生变化，从而降低冷却效果，从而需要经常对拉曼跃迁频率进行人为的校准，不能满足长时间的实验需要。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种磁敏感态跃迁频率的自动校准方法。

2、本发明的上述目的通过以下技术手段来实现：

3、一种磁敏感态跃迁频率的自动校准方法，包括以下步骤：

4、步骤1、搭建跃迁频率自校准系统；

5、步骤2、根据跃迁频率自校准系统建立反馈参数待定的反馈模型，并通过测量m组原子的跃迁频率以及对应的监视电流ix和监视磁场bfx，再对反馈参数待定的反馈模型进行拟合获得反馈参数，将反馈参数代入到反馈参数待定的反馈模型中得到反馈模型；

6、步骤3、根据步骤2的反馈模型建立跃迁频率自校准方法。

7、如上所述步骤2中反馈参数待定的反馈模型基于以下公式：

8、ba=k1ix+b1

9、bfx=k2ix+b2

10、b1=k3b2

11、fc=k4 ba+f0

12、dfc= c1 dbfx + c2dix

13、式中，fc为原子的跃迁频率，bfx是监视磁场，ix是监视电流，c1和c2均为待定的反馈参数，反馈参数c1= k3 k4，反馈参数c2= k4(k1-k2 k3)，k1、k2、k3、以及k4均为比例常数，ba是原子所处位置的实际磁场，b1是原子所处位置的背景磁场，b2为磁通门计的测试探头所处位置的背景磁场，f0为原子在无磁场时从设定的初始能态跃迁到目标能态的跃迁频率。

14、如上所述步骤2中通过测量m组原子的跃迁频率以及对应的监视电流ix和监视磁场bfx，再对反馈参数待定的反馈模型进行拟合获得反馈参数，将反馈参数代入到反馈参数待定的反馈模型中得到反馈模型具体包括以下步骤：

15、步骤2.2.1、将不同的微波频率输出到原子上，获取不同微波频率对应的原子从设定的初始能态跃迁到目标能态的概率，并记录测量开始时刻和测量结束时刻构成测量时间，不同微波频率以及对应的原子从设定的初始能态跃迁到目标能态的概率构成一组测量数据；

16、步骤2.2.2、反馈模块以微波频率为横坐标，原子从设定的初始能态跃迁到目标能态的概率为纵坐标，然后通过高斯函数拟合测量数据得到原子的跃迁曲线，跃迁曲线的峰值即为原子的跃迁频率fc；

17、步骤2.2.3、反馈模块将测量时间内通过电压采集器采集到的采样电阻的电压做平均获得采样电阻的平均电压ur，再通过ix=ur/r计算得到监视电流ix并进行记录，r为采样电阻的阻值；反馈模块将测量时间内磁通门计的测量电压做平均获得平均测量电压ufx，再通过bfx=aufx计算得到监视磁场bfx的大小并进行记录，a为磁通门计测量的监视磁场bfx与测量电压的比值，从而获取一个原子的跃迁频率fc以及对应的监视电流ix和监视磁场bfx；

18、步骤2.2.4、将m组测量数据分别实施分别步骤2.2.2~步骤2.2.3，共获取m个原子的跃迁频率fc以及对应的监视电流ix和监视磁场bfx，并将这m个原子的跃迁频率fc以及对应的监视电流ix和监视磁场bfx根据测量时间的先后顺序依次排列；

19、步骤2.2.5、反馈模块将第r个测量时间的监视电流与第r-1个测量时间的监视电流作差得到监视电流变化值dix；反馈模块将第r个测量时间的监视磁场与第r-1个测量时间的监视磁场作差得到监视磁场变化值dbfx；反馈模块将第r个测量时间的原子的跃迁频率与第r-1个测量时间的原子的跃迁频率作差得到跃迁频率变化值dfc，r取2到m，共获取m-1组拟合数据，每组拟合数据包括监视电流变化值dix、监视磁场变化值dbfx、以及跃迁频率变化值dfc；

20、步骤2.2.6、反馈模块根据公式dfc= c1dbfx + c2 dix和m-1组拟合数据进行二元拟合获得反馈参数c1和反馈参数c2的值，将反馈参数c1和反馈参数c2的值再代入到公式dfc= c1dbfx + c2 dix中得到反馈模型。

21、当原子所处位置的背景磁场b1和磁通门计的测试探头所处位置的背景磁场b2差异小于0.5mg时，比例参数k3为1，反馈参数c1=k4，反馈参数c2=k4(k1- k2)；

22、步骤2.2.1、将不同的微波频率输出到原子上，获取不同微波频率对应的原子从设定的初始能态跃迁到目标能态的概率，并记录测量开始时刻和测量结束时刻构成测量时间，不同微波频率以及对应的原子从设定的初始能态跃迁到目标能态的概率构成一组测量数据；

23、步骤2.2.2、反馈模块以微波频率为横坐标，原子从设定的初始能态跃迁到目标能态的概率为纵坐标，然后通过高斯函数拟合测量数据得到原子的跃迁曲线，跃迁曲线的峰值即为原子的跃迁频率fc；

24、步骤2.2.3、反馈模块将测量时间内通过电压采集器采集到的采样电阻的电压做平均获得采样电阻的平均电压ur，再通过ix=ur/r计算得到监视电流ix并进行记录，r为采样电阻的阻值；反馈模块将测量时间内磁通门计的测量电压做平均获得平均测量电压ufx，再通过bfx=aufx计算得到监视磁场bfx的大小并进行记录，a为磁通门计测量的监视磁场bfx与测量电压的比值，从而获取一个原子的跃迁频率fc以及对应的监视电流ix和监视磁场bfx；

25、步骤2.2.4、将m组测量数据分别实施步骤2.2.2~步骤2.2.3，共获取m个原子的跃迁频率fc以及对应的监视电流ix和监视磁场bfx，并将这m个原子的跃迁频率fc以及对应的监视电流ix和监视磁场bfx根据测量时间的先后顺序依次排列；

26、步骤2.2.5、反馈模块根据m个监视电流ix以及对应的监视磁场bfx通过公式bfx=k2ix+b2进行一元拟合得到第一拟合曲线，比例常数k2即为第一拟合曲线的斜率；查询原子磁矩得到比例常数k4；

27、步骤2.2.6、反馈模块通过原子的跃迁频率fc与原子所处位置的实际磁场ba的关系计算出原子所处位置的实际磁场ba，共获得m个原子的跃迁频率fc对应的原子所处位置的实际磁场ba，然后反馈模块根据m个原子的跃迁频率fc对应的原子所处位置的实际磁场ba以及对应时刻的监视电流ix通过公式ba=k1ix+b1进行一元拟合得到第二拟合曲线，比例常数k1即为第二拟合曲线的斜率；

28、步骤2.2.7、然后根据c1=k4得到反馈参数c1；根据c2=k4(k1-k2)得到反馈参数c2；将反馈参数c1和反馈参数c2的值再代入到公式dfc=c1 dbfx + c2 dix中得到反馈模型。

29、如上所述步骤3具体包括以下步骤：

30、步骤3.1、测量原子的跃迁频率作为初始跃迁频率fc0，将初始跃迁频率fc0写入射频源，并记录初始跃迁频率fc0对应的测量开始时刻和测量结束时刻；反馈模块将初始跃迁频率fc0对应的测量开始时刻和测量结束时刻之间的时间段的采样电阻的电压做平均获得电压初值ur0，再通过ix0=ur0/r计算得到监视电流初值ix0；反馈模块将初始跃迁频率fc0对应的测量开始时刻和测量结束时刻之间的时间段的测量电压做平均获得测量电压初值ufx0，再通过bfx0=aufx0计算得到监视磁场初值bfx0；

31、步骤3.2、以初始跃迁频率fc0对应的测量结束时刻作为频率校准时序的起始时刻，设定跃迁频率的频率校准间隔，形成跃迁频率的频率校准时序，频率校准时序中包括各个频率校准时刻，各个相邻的频率校准时刻的间隔为频率校准间隔；设定第n个频率校准时刻的监视电流为ixn，设定第n个频率校准时刻的监视磁场为bfxn，设定第n个频率校准时刻的原子的跃迁频率为fcn，设定n初始为1；

32、步骤3.3、根据跃迁频率的校准时序获取第n个频率校准时刻，反馈模块将第n-1个频率校准时刻与第n个频率校准时刻之间记录的采样电阻的电压进行平均作为第n个频率校准时刻的采样电阻的电压urn，并根据ixn=urn/r计算得到第n个频率校准时刻的监视电流ixn；反馈模块将第n-1个频率校准时刻与第n个频率校准时刻之间记录的磁通门计的测量电压进行平均作为第n个频率校准时刻的磁通门计的测量电压ufxn，并根据bfxn=aufxn计算得到第n个频率校准时刻的监视磁场bfxn；

33、步骤3.4、反馈模块将第n个频率校准时刻的监视电流ixn与第n-1个频率校准时刻的监视电流ixn-1作差得到第n个频率校准时刻的监视电流变化值dixn；反馈模块将第n个频率校准时刻的监视磁场bfxn与第n-1个频率校准时刻的监视磁场bfxn-1作差得到第n个频率校准时刻的监视磁场变化值dbfxn；

34、步骤3.5、反馈模块根据获得的dfcn= c1 dbfxn + c2dixn以及步骤3.4获得的第n个频率校准时刻的监视电流变化值dixn和第n个频率校准时刻的监视磁场变化值dbfxn计算得到第n个频率校准时刻的跃迁频率变化值dfcn，反馈模块将第n-1个频率校准时刻的原子的跃迁频率fcn-1和第n个频率校准时刻的跃迁频率变化值dfcn相加得到第n个频率校准时刻的原子的跃迁频率fcn，并将第n个频率校准时刻的原子的跃迁频率fcn写入射频源，从而对原子的跃迁频率进行校准；

35、步骤3.6、将n加1，重复步骤3.3至步骤3.5，从而对原子的跃迁频率进行自校准。

36、如上所述跃迁频率自校准系统包括恒压电流源、亥姆霍兹线圈、微波喇叭天线、采样电阻、原子、电压采集装置、磁通门计、反馈模块、以及射频源，亥姆霍兹线圈包括两个线圈，两个线圈串联后的一端与恒压电流源的正极连接，两个线圈串联后的另一端与采样电阻的一端连接，采样电阻的另一端与恒压电流源的负极连接，磁通门计的测试探头放置于亥姆霍兹线圈中的两个线圈之间，采样电阻和磁通门计上均设置有电压采集装置，电压采集装置均与反馈模块的输入端连接，反馈模块的输出端与射频源的输入端连接，射频源的输出端与微波喇叭天线的输入端连接，微波喇叭天线的开口对准两个线圈之间的原子；

37、本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

38、本发明构建原子的跃迁频率与磁场以及电流的反馈模型dfc= c1 dbfx + c2dix，并根据反馈模型建立跃迁频率自校准方法，实现了跃迁频率的自动校准，减少了人为测量校准跃迁频率的次数，增加了实验中能态操控的稳定性。