任意波形発生器(AWG)は、量子研究に利用できる最も強力で柔軟な信号源の1つです。AWGは、発生器の帯域幅と波形メモリの長さの範囲内で、ほぼ無限の数の波形を生成できます。AWGで波形を出力するには、有用な波形で埋めたデータを準備する必要があります。従来、その波形はデジタイザで記録するか、アプリケーションソフトウェアで生成してAWGに送信されていましたが、新しいDDSオプションはこの概念を変えます。
Spectrum社は、16ビット AWGのシリーズに新しいダイレクトデジタルシンセサイザ(DDS)オプションを導入しました。 DDSは単一の固定周波数リファレンスクロックから周期的な波形を生成する方法です。Spectrum社のAWG用DDSオプションは、複数の「DDSコア」を使用して各キャリアの周波数、振幅、位相が明確に定義されたマルチキャリア(マルチトーン) 信号を生成します。 DDSオプションにより、1つの出力チャネルで1つまたは複数の正弦波を生成するために必要な複雑さと生成データが大幅に削減されます。 DDSオプションは、現代の量子研究のニーズに合わせて多数の量子研究者特に Rymax Oneコンソーシアム(https://rymax.one)のチームと協力して開発されました。ここでは、量子研究プロジェクトでの新しいオプションの使用について説明します。
音響光学偏向器/変調器(AOD/AOM)の駆動
音響光学変調器(AOM)または偏向器(AOD)は、レーザー光の周波数(波長)、振幅、角度(位置)を動的に制御するために広く使用されています。これらは通常、圧電トランスデューサ(アクチュエータ)と吸収体と接触している結晶で構成されています。圧電トランスデューサは、通常10MHzから1GHzの範囲の増幅された無線周波数信号(RF)によって駆動されます。アクチュエータは結晶内に圧力波を誘導し結晶の局所屈折率を定期的に変化させます。
レーザー光の完全な制御
たとえば1次偏向ビームについて考えると、上記から RF信号がレーザービームの角度と光の周波数および強度を制御することは明らかです。これらの機能により、 RF信号の制御はレーザー光を制御する上で重要な部分になります。ここで、Spectrum製のAWG(M4i.6622-x8)が役立ちます。特に、新しいDDSオプションと組み合わせると、AWGは AOM/AODを制御するために必要なRF信号を生成するための理想的なツールになります。
AWGを使用したAODの光学セットアップ
Figure1に、Spectrum製AWGをAODと併用する場合のセットアップ例を示します。AWGから送られるRF信号(100MHz程度）は、MiniCircuit製の5Wアンプ(ZHL-5W-1)を介して RFカプラ(ZDC-20-1+)に送られ、信号の一部（約20dB抑制）がスペクトラムアナライザ(Siglent SSA3075X-R)に送られ、メイン出力がAODに送られます。光ファイバーから送られるクリーンアップされた低出力レーザービームは、偏光ビームスプリッターキューブ(PBS)を通過しAODに送られます。AODから送られる偏向された1次ビームは、カメラまたは画像用のホワイトスクリーンに送られます。
マルチキャリア信号
AODに特に役立つのは、DDSファームウェアのマルチキャリア生成機能（右図）です。現在のファームウェアでは、ユーザーは1つのチャネルで最大20個のキャリアを定義できます。これらの正弦波はそれぞれAOD結晶内で特定の波長の連続密度波を作成します。連続波はそれぞれ光の偏向格子として機能し、複数の偏向パターンを作成します。1次偏向パターンに焦点を合わせると、AODは角度と強度が異なる20本のビームを作成します。それぞれのビームはプログラム上で定義されます。したがって、それぞれのキャリア信号の周波数と振幅を制御するとそれらのレーザービームの位置（角度）と強度を完全に制御できます。
原子の再配列
AODから出力された20本の偏向ビームを使用して原子を冷却し、光ピンセットによって原子を再配列するこ
とが可能になります。この手法は冷却原子方式（Cold Atom方式）の量子コンピュータの開発に利用されています。
まとめ
DDSオプションは、量子研究の分野に限定されることなく量子研究の分野における一般的な用途に合わせて調整されています。DDSオプションを使用すると、RF信号キャリアと偏向レーザービームを直接接続してレーザービームの数、位置、強度を完全に制御できます。さらに、DDSオプションには線形動的動作が組み込まれているため、ユーザーは周波数と振幅の非常に正確な変更をプログラムできます。DDSオプションは現代の量子研究者に最適なツールです。
下図は量子コンピュータ(Cold Atomタイプ)研究用にSPECTRUM社M4i.6622-x8とDDSオプションを用いるイメージです
関連製品
M4i.6631-x8：1.25GHz 高速D/A ボード (PCIe)
M4i.6622-x8：625MHz 高速D/A ボード (PCIe)
Spectrum Instrumentation社について
Spectrum社は、Spectrum Systementwicklung Microelectronic GmbHとして1989年に設立され、2017年にSpectrum Instrumentation GmbHに改名されました。最も一般的な業界標準（PCIe、LXI、PXIe）で500を超えるデジタイザおよびジェネレータ製品を作成するモジュール設計のパイオニアです。これら高性能のPCベースのテスト&メジャーメントデザインは、電子信号の取得・生成および解析に使用されます。同社はドイツのGrosshansdorfに本社を置き、幅広い販売ネットワークを通じて世界中に製品を販売し、設計エンジニアによる優れたサポートを提供しています。 Spectrum社の詳細については、www.spectrum-instrumentation.comを参照してください。