Q·Q-LAB 虚拟实验室量子信息和量子计算
光路与稳频教学版 v6.2.0
ATOMIC PHYSICS / EXPERIMENT 01

离子阱囚禁与激光冷却实验参数调节与荧光成像

设置射频、直流电压、真空和激光参数,计算离子囚禁、冷却与荧光成像结果。

阱内离子 / IONS0 ions等待装载
Mathieu 稳定参数0.000 qᵣ计算中
真空腔压强1.0 × 10⁻⁴ Pa离子泵未启动
有效冷却光失谐−11.0 MHz自由运行
三轴平均温度 / MODEL— mK尚无离子
实验状态准备实验 00:00.0 模拟时间
LIVE

光学实验台

⁴⁰Ca⁺ · Linear Paul Trap
397 nm 冷却光路866 nm 再泵浦光路423 nm 激发光375 nm 电离光
拖动器件调整位置 · 滚轮缩放 · 阱体位置固定
参数化有限电极 · 离子与探针位移显示放大
SELECTED DEVICE397 nm 冷却激光
本机自动保存配置

示波器

CH1 差分探头输入与电极折算 / CH2 鉴频误差 / CH3 腔透射

实验记录

记录设备设置、测量结果与失败原因,导出后用于实验报告。
EXPERIMENT TASKS

实验任务与参数要求八项实验任务

按任务要求设置控制变量,记录参数、计算结果和测量数据,并导出实验报告。

实验结果判定

实验结果应包含稳定参数、存储离子数、三轴温度、光电子计数和成像信噪比。提交满足要求的配置及至少一组对照配置,分析电场、激光散射与成像参数的影响。

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EQUIPMENT LIBRARY

选择你的实验设备

设备档位决定可用范围与转换效率;应用后参数面板会同步更新。

PHYSICAL MODELS

物理模型、数值方法与适用范围

本平台采用 ⁴⁰Ca⁺ 线性 Paul 阱。主工作台将囚禁、三轴冷却、多离子平衡与逐像元相机数据联动,所有秒数均为模型的物理时间;时间倍率只加快播放。

射频与电场

Vpk = √(2ηP Q / Ω₀Ceff) × H(Ω)  q = 2eVpk / (mr₀²Ω²)

Vpk 是两对电极的差分零峰电压,Ceff 依同一能量约定定义,Q 为耗散/标定有效 Q,ηP 是耗散功率。默认 C、η 和 ±5% 预算是虚拟参数,未经真实设备标定。数值 Floquet 判断稳定性;独立 RF 时间积分提供步长收敛对照。

有限电极电场与单离子轨迹

“电场与轨迹”对四根有限圆柱电极与两枚中空端电极求解真空 Laplace 边值问题。使用三维有限差分与 SOR 迭代,在有限接地计算盒内确定单位电压解。曲面采用解析交点距离的 Shortley–Weller 差分,电势及场的空间插值仍需通过网格加密核验;迭代残差不等于场的空间误差。电场、赝势及单离子 RF 时间积分使用同一数值解,显示 h 与 h/2 的轨迹差。几何与三维电极共用参数,未采用实物 CAD 标定。

隔振支承

“隔振支撑”显示四气浮柱、封闭柔性膜片、浮动顶盘、橡胶底脚和三路调平阀;阀A供A+D并联。高度触杆为弱接触感测,不承载。公共调压器和软管固定于地面侧,未用刚性杆跨过隔振头。760 mm是本图示意台高;压力表不显示未计算数据,未求解气压、载荷或隔振传递率。

光学遮挡与预接线

镜面角度指向镀膜正面的外法线,只有正面入射发生反射;镜背、基片与镜架吸收光。镜、透镜与物镜为被动器件,没有电源开关,旧配置的禁用标记不取消其光学作用。激光及仪器外壳、底座支杆、台面、金属腔壁、真实窗口孔口和阱电极共同参与解析几何遮挡,荧光收集与成像路径也检查遮挡。剖视只改变显示,关闭器件不移除实体。被挡光线不能在截断点之后继续照明;在离子之后截束不消除已到达离子的光。此模型使用几何主光线与Gaussian q传播,各有限孔径计入Gaussian功率截光;成像以保守接受锥和96条瞳面射线估计机械遮挡及窗透射。面板NA对应可见可调光阑。未求解衍射、表面散射的空间分布、部分瞳的波动PSF、高倾角像差或机械碰撞;细线缆、小螺钉和螺纹不参与遮挡。

电子仪器按固定支路预接线;选择型号替换接入仪器,不需手工拉线。RF源经放大器和平衡谐振器,以双芯馈通分别接两对RF±电极,电位分别为差分电压的±1/2;每杆有集成RF耦合电容和独立滤波DC偏置,端帽另接公共DC。缺少谐振器时电极RF为零,上游源和功放仍可有输出。100:1差分探头接示波器,显示原始输入与电极折算,有限系统带宽和采样率决定衰减及混叠。DC、真空泵与稳频有相应固定支路;灰色电缆表示停用。AOM有独立集成RF驱动与选级组件;关闭驱动后工作衍射支路中断,内部零级废光不显示。本版电子设备位置不计算电缆损耗,但外壳会挡光。

光电离与成像光路

423 nm激发中性钙,375 nm完成第二步电离;两台激光需同时开启并照到阱区,钙原子源另外供给中性原子。375/423和397/866分别用双色镜合束,共用聚焦透镜。参考冷却光与成像轴约90°,397 nm窄带滤光片衰减375、423和866 nm背景,同时也使荧光通量降低。397 nm背景散射仍在通带内;本版使用声明的经验系数估算其均值,不代表实物散射标定。

三轴激光冷却

397/866 nm 使用含受激发射、分支比和统计权重的非相干 S/P/D 布居方程。按实际光束方向计算各轴力、反冲扩散和温度,并对速度与微运动相位积分。默认冷却光在三个本征轴上均有投影;没有轴向投影的模式不会自动获得相同温度。

晶体与像元

三维库仑能量极小化产生多离子平衡位置;完整 Hessian 给出正常模与软模。模式热协方差投影至相机,光学 PSF 对像元面积积分,再采样 Poisson 光电子、有限 EM 增益、读出噪声及 ADC。原始 CSV 和自动拉伸图像对应同一数值帧。

适用边界

主工作台冷却、晶体与荧光仍以局部四极模型计算;有限电极面板的单离子探针独立计算,不代表已装载或冷却。有限场未包含腔体屏蔽、介质与加工误差。晶体为谐振赝势中的局部平衡,热像使用小振幅高斯近似,不是完整多体 RF 分子动力学。原子模型未包含 Zeeman 暗态、CPT 与相干 Bloch 动力学。气体损失概率、装载效率、电路参数与相机参数需在真实装置中标定。

有限电极场与误差核验 ↗ 原子、真空与 RF 公式 ↗ 动力学与独立基准 ↗ 相机采样与标定 ↗ 本版检查与已知近似 ↗

TROUBLESHOOTING

故障注入

观察信号变化,再恢复相应参数。