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)建強大的，多功能的定制儀器，從而使我們可以用硬件實現(xiàn)時間嚴格任務的實時處理。這樣可以實現(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)最強有力的技術之一。我們實驗室研究的系統(tǒng)含有一個單獨的，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)，要實現(xiàn)這一點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。我們的目標是通過快速的電子反饋技術來抑制這種運動，使用回復力抵消這種逃逸運動。其基本原理如圖3所示。運動的不可預測性使得針對它的反應必須快速，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 子和光子實驗的光學 諧振腔（紅色）

解決這一棘手任務的關鍵電子元件是NI PXI-7954R NI FlexRIO FPGA模塊，結合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機箱上，它具有NI PXIe-8130集成主機控制器。FPGAs是特殊的可重配置的集成電路，因此它們可以達到由硬件實現(xiàn)的高性能， 同時在整個設計過程中可以實現(xiàn)很高程度的通用性。 這一點，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計語言來設計高層的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)字通路進行采樣，處理實時數(shù)據(jù)，運用反饋算法，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
工作在很低的光強下，要求使用的設備能夠探測單個光子。這些設備，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時間。對于我們的應用來說，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。