Author(s):
　　Christian Sames - Max-Planck Institute of Quantum Optics
　　Markus Koch - Max-Planck Institute of Quantum Optics
　　Haytham Chibani - Max-Planck Institute of Quantum Optics
　　Maximilian Balbach - Max-Planck Institute of Quantum Optics
　　Tatjana Wilk - Max-Planck Institute of Quantum Optics
　　Gerhard Rempe - Max-Planck Institute of Quantum Optics
　　
　　反饋是控制動態(tài)系統(tǒng)最強(qiáng)有力的技術(shù)之一,。我們實驗室研究的系統(tǒng)含有一個單獨(dú)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(diǎn)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(biāo)是通過快速的電子反饋技術(shù)來抑制這種運(yùn)動，使用回復(fù)力抵消這種逃逸運(yùn)動,。其基本原理如圖3所示,。運(yùn)動的不可預(yù)測性使得針對它的反應(yīng)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,。 
　　
　　解決這一棘手任務(wù)的關(guān)鍵電子元件是NI PXI-7954R NI FlexRIO FPGA模塊，結(jié)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(jī)箱上,，它具有NI PXIe-8130集成主機(jī)控制器,。FPGAs是特殊的可重配置的集成電路，因此它們可以達(dá)到由硬件實現(xiàn)的高性能,， 同時在整個設(shè)計過程中可以實現(xiàn)很高程度的通用性,。 這一點(diǎn)，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(xué)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(shè)計語言來設(shè)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(yīng)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(jìn)行采樣,，處理實時數(shù)據(jù),，運(yùn)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(qiáng)下,，要求使用的設(shè)備能夠探測單個光子。這些設(shè)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(shè)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(dá)時間。對于我們的應(yīng)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,。
　　
　　高采樣率可以通過使用Xilinx Virtex-5設(shè)備內(nèi)置的數(shù)字串并轉(zhuǎn)換能力實現(xiàn),，我們可以用它來把1 Gbit/s的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成8個同步的,，每個125 Mbits/s的數(shù)據(jù)流,。 每個數(shù)據(jù)流描述原始數(shù)據(jù)流的一部分，數(shù)據(jù)間的時間間隔為1 ns(如圖5所示),。這項功能是通過LabVIEW中插入常用CLIP (器件級知識產(chǎn)權(quán)方案)實現(xiàn)的,，從而允許集成的VHDL代碼訪問FPGA的輸入/輸出引腳,。

　　每個上升沿對應(yīng)于一個光子撞擊,，需要至少36位動態(tài)范圍的時間標(biāo)記,；記錄多達(dá)一分鐘的數(shù)據(jù)集是非常有必要的,，同時要避免內(nèi)部計數(shù)器的溢出,。這是通過運(yùn)用邊緣檢測單元實現(xiàn)的,，它對每8位寬度的,，由“iserdes”產(chǎn)生輸出的“串并轉(zhuǎn)換”的數(shù)據(jù)流進(jìn)行掃描,。無論何時探測到上升沿,，一個事件標(biāo)志被宣稱,。一個用于表示8 ns間隔中事件發(fā)生位置的,，3位形式的數(shù)據(jù)另外產(chǎn)生出來。這個值與61位的計數(shù)器同步運(yùn)行在125 MHz的時鐘下,。總計,，這能提供64位的時間標(biāo)記，然后它——連同事件標(biāo)志一起——被傳遞給LabVIEW FPGA,。從那一刻起，LabVIEW VI負(fù)責(zé)處理剩下的部分,。
　　
　　四個探測器中每一個的光子撞擊的時間標(biāo)記都緩存在FIFOs。隨后,，它們被分類并合并成一個常見的數(shù)據(jù)流,，它也具有控制信息,。在數(shù)據(jù)流經(jīng)由DMA通道進(jìn)入主機(jī)PC的內(nèi)存之前,，它被緩存于NI FlexRIO模塊的DRAM中,?？傮w而言，這種結(jié)構(gòu)允許在每個通道低于2,000個事件的情況下,，實現(xiàn)每秒高達(dá)125百萬個事件的峰值計數(shù)率,。此外,，平均每秒1億個事件的計數(shù)率也可實現(xiàn),。這種情況可以持續(xù)大約1.6千萬個事件，這是由DDR2內(nèi)存的尺寸與速度限制造成的,。最終,，一個持續(xù)的25 MHz的計數(shù)率被實現(xiàn),，這是由PXI總線的帶寬限制所決定的。升級成NI PXIe-796x NI FlexRIO模塊將顯著地提高平均計數(shù)率,，這是因為增加的PXI Express總線速度,，以及更快更大的DDR2內(nèi)存,。
　　
　　請注意,，盡管使用了專為處理高達(dá)200 Mbit/s數(shù)據(jù)率的NI 6581適配器模塊的DDCA口,，只要計數(shù)率不超過100 MHz,，以1ns的分辨率探測上升沿仍然是可行的,。適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行模式已經(jīng)通過使用安捷倫的81150A 脈沖信號發(fā)生器的大量測試進(jìn)行了驗證,。
　　
逐個光子對單個原子的反饋
　　
　　FPGA要執(zhí)行的主要任務(wù)是實時對原子軌跡進(jìn)行有效控制,。我們使用NI FlexRIO FPGA模塊來控制單個原子的運(yùn)動,，它被俘獲于光腔內(nèi)部的光學(xué)偶極阱,。只需要通過探測一些光子,，我們就能獲得有關(guān)阱中原子實際位置的充足信息，從而操控它的運(yùn)動。在這里,，F(xiàn)PGA模塊被用于記錄光子的到達(dá)時間，評估原子的軌跡,，并基于這些信息改變原子的俘獲勢能。當(dāng)探測到單個光子時,，一個數(shù)字化的電子脈沖被光電探測器發(fā)射出來，到達(dá)時間被FPGA以1 ns的分辨率在多個通路記錄,。基于光子被探測到的計數(shù)率變化,，F(xiàn)PGA判斷原子是否正向俘獲勢能的中心移動，或是在勢阱的外部,，來決定減少或增加俘獲勢能。
　　
　　NI FlexRIO模塊將被原子散射的光子的到達(dá)時間逐個分類并歸棧,。典型的歸棧時間間隔一般為幾百萬分之一秒,，它涉及到曝光時間，每隔幾納秒需要校正一下,。散射光子率的變化通過比較當(dāng)前堆棧與之前堆棧來評估,，它被延時，延時時間等于曝光時間,。延時使用FIFOs實現(xiàn),。在我們的實驗中，光子通量的減少表明原子正向光腔的中部移動,，而增加預(yù)示著原子正向外部移動,。因為被俘獲的原子對多種不同的力都非常敏感，它的運(yùn)動在規(guī)則振動的同時,，又疊加了一些無序的運(yùn)動,。這種機(jī)制使得原子軌跡在時間尺度內(nèi)的不可預(yù)測性比它的振動頻率更大，其振動頻率一般約為5 kHz,。一旦原子積累的動能超過它所處勢阱的深度,，它就會丟失。原子呆在勢阱的時間被認(rèn)為是存儲時間,。此外,，對于一個被俘獲原子來說，散射光子的通量一般僅為每10 µs一個光子的量級,，從而使執(zhí)行有效的反饋方案非常困難,，這是因為有用的信息太少。一種可行的方案需要數(shù)字化地在高低值之間改變阱的勢壘深度,，取決于是否當(dāng)前時間間隔內(nèi)的撞擊數(shù)量超過先前一定數(shù)值,。就如同它看起來那么簡單，與沒有信號反饋回來的情況相比,，它在原子的平均存儲時間方面增加了30倍,。存儲時間平均1秒，最高超過7秒的結(jié)果已經(jīng)實現(xiàn),，從而使這項技術(shù)完全可以與激光冷卻方案相比,，它要求更為復(fù)雜的光學(xué)結(jié)構(gòu)。目前更加精密的反饋策略正在研究中,。

　　
監(jiān)測
　　
　　除了存儲有關(guān)發(fā)射光子流的信息并反饋到系統(tǒng)中,，將重要的信息顯示給實驗者也至關(guān)重要。對于最初的方案來說,，這一點(diǎn)尤其重要,。為實現(xiàn)這一目的，我們將一個快速數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)與兩個視頻圖形陣列(VGA)連接器集成到FPGA,。
　　
　　DAC是AD(Analog Devices)公司的TxDAC (AD9744),，它能提供210 Ms/s的采樣率，同時具有14位的分辨率,。在當(dāng)前設(shè)計下,，它運(yùn)行在125 MHz的時鐘頻率下，并輸出一個與探測到的光子數(shù)目成正比的電壓,。DAC的數(shù)據(jù)與時鐘引腳被連接到NI 6581,；22 Ω的電阻被串聯(lián)以減少數(shù)字DAC輸入的反射。模塊的其余引腳被用于同VGA顯示器交互,?；旧厦總€VGA連接器含有三根信號線，以及兩根數(shù)據(jù)線,。信號線傳輸紅,，綠，藍(lán)顏色信息,。VGA的說明書要求它們連接75 Ω的電阻，并且承受0 V (黑色) 到 0.7 V (全部彩色亮度)的電壓,。同步由兩個高阻TTL數(shù)據(jù)線實現(xiàn),，規(guī)定了水平與垂直的回描周期,。如果只有8個顏色值(3位顏色深度)是需要的，那經(jīng)由270 Ω電阻連接VGA連接器信號引腳與NI 6581適配器模塊(采用3.3 V的配置模式)就足夠了,。數(shù)據(jù)線串聯(lián)一個22 Ω的電阻,。我們選擇將顯示器分為兩部分：一部分顯示基于文本的信息，另一部分是圖像信息,。對于文本模式來說,，一套8乘以16像素的黑/白字體被載入到FPGA的一個內(nèi)分區(qū)塊RAMs中。另外一個區(qū)塊RAM存儲了符號編碼,。圖形部分顯示了探測器發(fā)射的趨勢圖或反饋算法的計算,；這些圖表也存儲于內(nèi)分區(qū)塊RAM。運(yùn)行于108 MHz像素時鐘的,，1280乘以1024像素的顯示模式可以很容易地實現(xiàn),。
　　
總結(jié)
　　
　　使用NI FlexRIO，我們可以創(chuàng)建自己的高性能定制硬件,。時域數(shù)字轉(zhuǎn)換器是非常強(qiáng)大以及功能廣泛的工具,，可用于科學(xué)研究與工業(yè)生產(chǎn)的很多不同領(lǐng)域，它所能提供的優(yōu)勢超過了很多商業(yè)上可用的產(chǎn)品,。FPGAs的計算能力進(jìn)一步幫助我們從硬件上來實現(xiàn)時間嚴(yán)格任務(wù)的實時處理,，從而使對較小系統(tǒng)執(zhí)行反饋控制成為可能，甚至于單個原子與單個光子的相互作用,。
　　
　　使用LabVIEW FPGA,，我們可以快速地開發(fā)FPGA編碼，這是因為它的高度概括性,，同時適當(dāng)?shù)丶闪薞HDL IP,。此外，使用PXI平臺讓我們可以在系統(tǒng)中利用跟其它PXI儀器的觸發(fā)與同步,，從而使我們可以將定制的儀器集成到更大的系統(tǒng)中去,，而不必執(zhí)行整個的定制設(shè)計。
　　
參考文獻(xiàn)