应战:
开发一种定制的时域数字转化器来研讨光与物质相互作用的根本量子性质。
处理计划:
运用NI公司的 FlexRIO 与 LabviewFPGA模块来创立强壮的，多功用的定制仪器，然后使咱们能够用硬件完成时刻严厉使命的实时处理。这样能够完成对极小体系的反响操控，甚至于单个原子与单个光子的相互作用。
反响是操控动态体系最强有力的技能之一。咱们试验室研讨的体系含有一个独自的，与单个光子相互作用的中性孤立原子——量子化电磁场的本征激起——被高反射性的腔式镜面所盘绕(如图 1和 2)。运用这套体系，咱们能够研讨光与物质相互作用的根本量子性质，要完成这一点有必要将原子约束在腔镜的中心。可是，固有的加热进程更倾向于将原子面向其它方位。咱们的方针是经过快速的电子反响技能来按捺这种运动，运用回复力抵消这种逃逸运动。其根本原理如图3所示。运动的不行猜测性使得针对它的反响有必要快速，可是体系的量子特性约束了信息量的提取。因而，咱们有必要在100ns内，快速履行根据单个光子勘探决议计划进程。咱们展示的反响计划[1,2]在这方面做得十分好。
处理这一扎手使命的要害电子元件是NI PXI-7954R NIFlexRIOFPGA模块，结合NI 6581高速数字输入输出适配器模块。运用适配器模块的首要意图是经过缓冲露出的FPGA引脚的数字输入与输出，防止损坏。NIFlexRIO模块被安装在NI PXIe-1075机箱上，它具有NI PXIe-8130集成主机操控器。FPGAs是特别的可重装备的集成电路，因而它们能够抵达由硬件完成的高性能， 一同在整个规划进程中能够完成很高程度的通用性。 这一点，连同它们固有的并行性，能够供给快速与确定性的履行进程，然后使它们在科学研讨与工业生产中成为广泛而有力的东西。NIFlexRIO模块具有两个首要优势。首要，它答应经过LabVIEWFPGA 模块方便地为FPGA编程， 咱们能够运用这种图形化的规划言语来规划高层的FPGA电路，一同假如有必要，它也集成了常用的，底层的VHDL代码。其次，FlexRIO模块直接将FPGA引脚展示给用户，能够完成高度定制的I/O。因而，它答应定制的，高性能硬件的创立。在咱们的运用中，咱们开发了一套定制的时域数字转化器，它能够以一个纳秒的分辨率对多个数字通路进行采样，处理实时数据，运用反响算法，并向用户输出重要的信息。
具有1 ns分辨率与64位动态规模的四通道时域数字转化器
作业在很低的光强下，要求运用的设备能够勘探单个光子。这些设备，称为单光子计数模块(SPCM)，是根据雪崩光电二极管制作的，并能在勘探到单个光子的时分发射数字电子脉冲(如图4所示)。咱们运用由美国珀金埃尔默(PerkinElmer®)公司制作的设备(AQR-14)。脉冲的上升沿能够以350皮秒的精确度标明出光子的抵达时刻。关于咱们的运用来说，1 ns的分辨率刚好需求FPGA对每个衔接到SPCM的数字通路以1 GHz的频率采样。
高采样率能够经过运用Xilinx Virtex-5设备内置的数字串并转化才能完成，咱们能够用它来把1 Gbit/s的数据流转化成8个同步的，每个125 Mbits/s的数据流。 每个数据流描绘原始数据流的一部分，数据间的时刻距离为1 ns(如图5所示)。这项功用是经过LabVIEW中刺进常用CLIP (器材级知识产权计划)完成的，然后答应集成的VHDL代码拜访FPGA的输入/输出引脚。
每个上升沿对应于一个光子碰击，需求至少36位动态规模的时刻符号;记载多达一分钟的数据集对错常有必要的，一同要防止内部计数器的溢出。这是经过运用边际检测单元完成的，它对每8位宽度的，由“iserdes”发生输出的“串并转化”的数据流进行扫描。不管何时勘探到上升沿，一个事情标志被声称。一个用于标明8 ns距离中事情发生方位的，3位方式的数据别的发生出来。这个值与61位的计数器同步运转在125 MHz的时钟下。总计，这能供给64位的时刻符号，然后它——连同事情标志一同——被传递给LabVIEWFPGA。从那一刻起，LabVIEW VI负责处理剩余的部分。
四个勘探器中每一个的光子碰击的时刻符号都缓存在FIFOs。随后，它们被分类并合并成一个常见的数据流，它也具有操控信息。在数据流经由DMA通道进入主机PC的内存之前，它被缓存于NIFlexRIO模块的DRAM中。整体而言，这种结构答应在每个通道低于2,000个事情的状况下，完成每秒高达125百万个事情的峰值计数率。此外，均匀每秒1亿个事情的计数率也可完成。这种状况能够继续大约1.6千万个事情，这是由DDR2内存的尺度与速度约束形成的。终究，一个继续的25 MHz的计数率被完成，这是由PXI总线的带宽约束所决议的。升级成NI PXIe-796x NIFlexRIO模块将显著地进步均匀计数率，这是由于添加的PXI Express总线速度，以及更快更大的DDR2内存。
请注意，虽然运用了专为处理高达200 Mbit/s数据率的NI 6581适配器模块的DDCA口，只需计数率不超越100 MHz，以1ns的分辨率勘探上升沿仍然是可行的。恰当的运转形式现现已过运用安捷伦的81150A 脉冲信号发生器的许多测验进行了验证。
逐一光子对单个原子的反响
FPGA要履行的首要使命是实时对原子轨道进行有用操控。咱们运用NIFlexRIOFPGA模块来操控单个原子的运动，它被抓获于光腔内部的光学偶极阱。只需求经过勘探一些光子，咱们就能取得有关阱华夏子实践方位的足够信息，然后操控它的运动。在这里，FPGA模块被用于记载光子的抵达时刻，评价原子的轨道，并根据这些信息改动原子的抓获势能。当勘探到单个光子时，一个数字化的电子脉冲被光电勘探器发射出来，抵达时刻被FPGA以1 ns的分辨率在多个通路记载。根据光子被勘探到的计数率改动，FPGA判别原子是否正向抓获势能的中心移动，或是在势阱的外部，来决议削减或添加抓获势能。
NIFlexRIO模块将被原子散射的光子的抵达时刻逐一分类并归栈。典型的归栈时刻距离一般为几百万分之一秒，它涉及到曝光时刻，每隔几纳秒需求校对一下。散射光子率的改动经过比较当时仓库与之前仓库来评价，它被延时，延时时刻等于曝光时刻。延时运用FIFOs完成。在咱们的试验中，光子通量的削减标明原子正向光腔的中部移动，而添加预示着原子正向外部移动。由于被抓获的原子对多种不同的力都十分灵敏，它的运动在规矩振荡的一同，又叠加了一些无序的运动。这种机制使得原子轨道在时刻尺度内的不行猜测性比它的振荡频率更大，其振荡频率一般约为5 kHz。一旦原子堆集的动能超越它所在势阱的深度，它就会丢掉。原子呆在势阱的时刻被认为是存储时刻。此外，关于一个被抓获原子来说，散射光子的通量一般仅为每10 µs一个光子的量级，然后使履行有用的反响计划十分困难，这是由于有用的信息太少。一种可行的计划需求数字化地在凹凸值之间改动阱的势垒深度，取决于是否当时时刻距离内的碰击数量超越从前必定数值。就好像它看起来那么简略，与没有信号反响回来的状况比较，它在原子的均匀存储时刻方面添加了30倍。存储时刻均匀1秒，最高超越7秒的成果现已完成，然后使这项技能完全能够与激光冷却计划比较，它要求更为杂乱的光学结构。现在愈加精细的反响战略正在研讨中。
监测
除了存储有关发射光子流的信息并反响到体系中，将重要的信息显现给试验者也至关重要。关于开始的计划来说，这一点特别重要。为完成这一意图，咱们将一个快速数字模拟转化器(DAC)与两个视频图形阵列(VGA)衔接器集成到FPGA。
DAC是AD(Analog Devices)公司的TxDAC (AD9744)，它能供给210 Ms/s的采样率，一同具有14位的分辨率。在当时规划下，它运转在125 MHz的时钟频率下，并输出一个与勘探到的光子数目成正比的电压。DAC的数据与时钟引脚被衔接到NI 6581;22 Ω的电阻被串联以削减数字DAC输入的反射。模块的其他引脚被用于同VGA显现器交互。根本上每个VGA衔接器含有三根信号线，以及两根数据线。信号线传输红，绿，蓝色彩信息。VGA的说明书要求它们衔接75 Ω的电阻，而且接受0 V (黑色) 到 0.7 V (悉数五颜六色亮度)的电压。同步由两个高阻TTL数据线完成，规则了水平与笔直的回描周期。假如只要8个色彩值(3位色彩深度)是需求的，那经由270 Ω电阻衔接VGA衔接器信号引脚与NI 6581适配器模块(选用3.3 V的装备形式)就足够了。数据线串联一个22 Ω的电阻。咱们挑选将显现器分为两部分：一部分显现根据文本的信息，另一部分是图画信息。关于文本形式来说，一套8乘以16像素的黑/白字体被载入到FPGA的一个内分区块RAMs中。别的一个区块RAM存储了符号编码。图形部分显现了勘探器发射的趋势图或反响算法的核算;这些图表也存储于内分区块RAM。运转于108 MHz像素时钟的，1280乘以1024像素的显现形式能够很容易地完成。
总结
运用NIFlexRIO，咱们能够创立自己的高性能定制硬件。时域数字转化器对错常强壮以及功用广泛的东西，可用于科学研讨与工业生产的许多不同范畴，它所能供给的优势超越了许多商业上可用的产品。FPGAs的核算才能进一步协助咱们从硬件上来完成时刻严厉使命的实时处理，然后使对较小体系履行反响操控成为可能，甚至于单个原子与单个光子的相互作用。
运用LabVIEWFPGA，咱们能够快速地开发FPGA编码，这是由于它的高度概括性，一同恰当地集成了VHDL IP。此外，运用PXI渠道让咱们能够在体系中使用跟其它PXI仪器的触发与同步，然后使咱们能够将定制的仪器集成到更大的体系中去，而不用履行整个的定制规划。
参考文献
[1] A. Kubanek, M. Koch, C. Sames, A. Ourjoumtsev, P. W. H. Pinkse, K. Murr, and G. Rempe, Photon-by-photon feedback control of a single-atom trajectory, Nature 462, 898-901 (2009)
[2] M. Koch, C. Sames, A. Kubanek, M. Apel, M. Balbach, A. Ourjoumtsev, P. W. H. Pinkse, and G. Rempe, Feedback Cooling of a Single Neutral Atom, Phys. Rev. Lett. 105, 173003 (2010)
[3] P. W. H. Pinkse, T. Fischer, P. Maunz, G. Rempe, Trapping an Atom with Single Photons, Nature 404, 365-368 (2000)
[4] P. Maunz, T. Puppe, I. Schuster, N. Syassen, P. W. H. Pinkse, and G. Rempe, Normal-Mode Spectroscopy of a Single-Bound-Atom–Cavity System, Phys. Rev. Lett. 94, 033002 (2005)
