Field programmable gate arrays as control tools in quantum optics experiments

Abstract

In dieser Arbeit werden Experimente beschrieben, bei denen ein einzelnes Atom in einem optischen Resonator (Atomfalle) gefangen wird. Um ein solches Atomfallen-System zu simulieren wurde das LabVIEW Quantum Optics Toolkit entwickelt. Dabei werden hohe Anforderungen an die Geschwindigkeit des Simulators gestellt, um die Echtzeit-Fähigkeit der Datenerzeugung zu garantieren. Zur Verkürzung der Latenzzeit dieser quantenoptischen Simulation werden Field Programmable Gate Arrays (FPGA) eingesetzt. Um den Vorteil hinsichtlich der Rechengeschwindigkeit zu quantifizieren, wird die Auswertung komplexwertiger Funktionen unter der Verwendung des Festkomma-Datentyps mit konventionellen Berechnungen, ausgeführt an einer Central Processing Unit (CPU), verglichen. Für die Steuerung des Atomfallen-Experiments müssen präzise computergesteuerte Messsequenzen erzeugt werden. Die Parameter der Ausgangskanäle werden, basierend auf mathematischen Funktionen, dynamisch konfiguriert. Software-Module, die eine unterschiedliche Anzahl von I/O-Kanälen und globalen Parametern beinhalten, können in beliebiger Ausführungsreihenfolge zusammengeschaltet werden. Mit der Einführung einer Hauptsteuerung basierend auf PXI, einem modularen Busssystem, werden die Kontrolleinheit, FPGA-basierte Karten für die Erzeugung bzw. Erfassung von analogen und digitalen Daten und das LabVIEW Quantum Optics Toolkits innerhalb einer Plattform vereinigt. Durch diese Zentralisierung wird es der Steuerung ermöglicht auf geänderte Werte der Eingangskanäle zu reagieren. Die erfolgreiche Inbetriebnahme dieser Hauptsteuerung zeigt, dass der Arbeitszyklus des Experiments und die Genauigkeit der Daten je um einen Faktor 2 verbessert wurden. Zusätzlich wurde die Anzahl der benötigten Messdaten halbiert. Die neu implementierten Funktionen innerhalb der Steuerung ermöglichen die Messung eines Normalmoden-Spektrums mit ein und demselben Atom.

In this thesis experiments with single atoms strongly coupled to an optical cavity are described. The LabVIEW Quantum Optics Toolkit has been developed to simulate an atom-cavity system. Fast computation times are required in order to achieve real-time data generation. To reduce the latency of a quantum optics simulations, the concepts using the Field Programmable Gate Array (FPGA) technology as part of a high performance computing platform are discussed. Implementations of complex-valued operations using fixed point numeric on a Virtex-5 FPGA compare favourably to more conventional solutions on a central processing unit. The control system for the atom-cavity experiment requires the generation of precisely timed computer controlled measurement sequences. The parameters for the output channels are set dynamically based on arbitrary mathematical functions. Software modules, which hold a different number of channels and global parameters, can be connected in any order when defining the measurement sequence to load single atoms inside the cavity. By implementation of a control system based on PXI, a modular electronic instrumentation platform, the controller, FPGA-based data acquisition and generation cards as well as quantum optics analysis tools are centralised within one platform allowing the system to react on an input during the measurement sequence. This thesis reports on the successful implementation of the control system whereby the duty cycle and the accuracy of the data have been improved by a factor of 2 respectively. Additionally, the required amount of data has been reduced by a factor of 2. With the newly implemented features it is also possible to measure the normal mode spectrum for one-and-the-same atom.