基于机器学习的量子自旋锁定方法

技术领域

本发明涉及的是一种量子测量领域的技术，具体是一种基于机器学习的量子自旋锁定方法。

背景技术

近年来，基于非屏蔽原子系统的量子传感引起了广泛关注。然而，地磁场的非线性塞曼效应一直是限制原子磁力计测量灵敏度和准确性的一个瓶颈问题。尤其在应用原子自旋压缩态构建量子增强磁力计时，非线性塞曼效应使得原子自旋压缩态的压缩轴和压缩度随时间周期性震荡，从而导致压缩态最大压缩度的压缩轴与磁力计观测量不在一个方向，造成原子磁力计磁共振信号强度降低、线宽变宽，而且信号的噪声也变大。

由于磁力计的灵敏度通常很小，很难直接施加并观测到这样一个小量来判断多大的信号是可分辨的最小信号。因此一般用标定的方式得到磁力计的灵敏度，利用磁共振信号中信号随磁场变化斜率最大的区域探测磁场。该斜率是由磁共振信号的大小及线宽决定的。由于受到自旋相干时间的限制，自旋退相干会给系统引入一定的噪声，该噪声对应最小可测量磁场即灵敏度，为观测信号的本底噪声。为了测量磁场灵敏度，实验上施加一个已知的标定磁场，得到对应的信号大小。在磁共振信号的线性区域，这些量表达为“斜率＝磁共振信号幅度/磁共振信号线宽＝对应信号/标定磁场＝噪声/灵敏度”,通过施加标定信号并测量对应的信号大小，可以得到磁共振信号的斜率并求出灵敏度。因此，磁力计灵敏度表达式为“灵敏度＝斜率/噪声”，提高磁力计信号、压窄线宽、降低噪声是优化磁力计灵敏度的三个主要手段。在应用原子自旋压缩态构建量子增强磁力计时，非线性塞曼效应使得原子自旋压缩态的压缩轴和压缩度随时间周期性震荡，从而导致压缩态最大压缩度的压缩轴与磁力计观测量不在一个方向，造成原子磁力计磁共振信号强度降低、线宽变宽，而且信号的噪声也变大。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于机器学习的量子自旋锁定方法，利用差分进化算法设计出任意调节周期以及脉冲数的周期性调制原子自旋压缩态的脉冲时序，通过同轴线圈将此调制脉冲施加到原子自旋压缩态上，从而将原子自旋压缩态压缩轴锁定在磁力计观测量方向上，并且保证压缩度不被降低，实现一个地磁场下的连续稳定输出的自旋压缩态，从而实现量子增强的磁场测量。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于机器学习的量子自旋锁定方法，包括：

步骤1)随机生成一个包含M组自旋锁定时序的待测组群作为原始时序，每一组时序包括p个随机取值的旋转角度；

步骤2)将原始时序通过同轴线圈施加至铷原子系综的原子自旋压缩态；

步骤3)通过探测光产生的法拉第效应测量磁共振信号并计算目标函数值，当目标函数值符合预设值时则输出，否则进行下一步骤；

所述的目标函数值，即磁共振信号斜率/噪声的平均值。

步骤4)预先设置一个变异因子，在待测组群中另外随机选出三组时序，将其中两组时序中旋转角度的差乘以变异因子后，与第三组时序相加得到变异时序；

步骤5)将步骤1的原始时序中的旋转角度与步骤4得到的变异时序中的旋转角度交叉重组得到测试时序，具体为：预先设置一个交叉因子，针对原始时序中的每一个旋转角度再随机生成一个位置因子和系数因子，当该旋转角度在原始时序中的所在位置与位置因子相等或系数因子小于交叉因子，则保留该旋转角度，否则将该位置的旋转角度替换为变异时序中相同位置的旋转角度，待遍历完全后得到测试时序；

步骤6)分别将原始时序与测试时序通过同轴线圈施加至铷原子系综的原子自旋压缩态；

步骤7)通过探测光产生的法拉第效应测量磁共振信号，分别对比原始时序与测试时序的目标函数值并保留其中的较小值至待测组群；

步骤8)重复步骤4)到步骤7)，直至时序达到目标函数预设值，此时得到的时序为最佳锁定时序。

步骤9)得到步骤8)的最佳时序的同时，步骤7)获得一个具有量子提升的磁场测量灵敏度。

所述的旋转角度的旋转方向与原子自旋压缩态的方向一致；相邻两个旋转角度的时间间隔一致；每个旋转角度的作用时间远小于每相邻两个旋转角度的时间间隔。

步骤3和步骤7中的探测光为频率与铷原子共振能级远失谐的激光，该探测光的方向与所施加同轴线产生磁场的方向互相垂直，并且都垂直于原子自旋压缩态的方向；

所述的目标函数是指：每次旋转操作作用后磁场测量灵敏度的平均值。

所述的变异因子的取值范围为0到1；所述的系数因子的取值范围为0到1；所述的交叉因子的取值范围为0到1。

所述的铷原子系综采用但不限于原子蒸气、冷原子系综或其它碱金属原子系综，如铯原子系综等。

本发明涉及一种实现上述方法的系统，包括：脉冲控制单元、磁场感应单元以及数据采集单元，其中：脉冲控制单元根据机器学习中的差分进化算法得到一组控制脉冲，并通过同轴线圈施加到原子自旋压缩态上；磁场感应单元对原子自旋压缩态施加磁场以产生拉莫尔进动，当探测光经过原子蒸气发生法拉第相互作用使得探测光偏振被原子自旋以拉莫尔频率进行调制；数据采集单元通过测量光场偏振被调制的频率提取得到磁场强度。

所述的拉莫尔频率Ω

技术效果

本发明针对原子自旋压缩态的压缩轴和压缩度在地磁场下随时间周期性震荡的问题，利用差分进化算法设计出可任意调节周期以及脉冲数的周期性调制原子自旋压缩态的脉冲时序，并通过同轴线圈将此调制脉冲施加到原子自旋压缩态上，从而实现在地磁场下，将原子自旋压缩态压缩轴锁定在磁力计观测量方向上，并保证压缩度不被降低，实现一个地磁场下的连续稳定输出的自旋压缩态，从而实现量子增强的磁场测量。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为灵敏度示意图。

图3为实施例得到的优化时序示意图；

图4为实施例效果示意图。

具体实施方式

如图1所示，为本实施例涉及一种基于机器学习的量子自旋锁定方法，包括以下步骤：

步骤1)在Python环境下随机生成一个包含M组自旋锁定时序的组群，其中每一组时序包括p个随机取值的旋转角度；

步骤2)将原始时序通过同轴线圈施加给铷原子系综里的原子自旋压缩态；

步骤3)利用一束探测光的法拉第效应测量磁共振信号计算目标函数值，比较并检查是否符合预设值，如果符合则输出时序，如果不符合则进行下一步骤；

步骤4)预先设置一个变异因子，针对组群中的每一组时序，在组群中另外随机选出三组时序，将其中两组时序的差乘以一个变异因子，并与第三组时序相加得到一组变异时序；

步骤5)将原始时序中的旋转角度与变异时序中的旋转角度交叉重组得到测试时序：预先设置一个交叉因子，针对原始时序中的每一个旋转角度，首先随机生成一个位置因子和系数因子，如果该旋转角度在时序中的所在位置与位置因子相等，或者是系数因子小于交叉因子，那么就将该旋转角度保留，否则将该位置的旋转角度替换为变异时序中相同位置的旋转角度，最终得到测试时序；

步骤6)分别将原始时序与测试时序通过同轴线圈施加给铷原子系综里的原子自旋压缩态；

步骤7)利用一束探测光的法拉第效应测量磁共振信号，分别对比原始时序与测试时序的目标函数值，其中较小的继续留在组群；

步骤8)重复步骤4)到步骤7)，直至时序达到目标函数预设值，并输出最佳时序。

得到步骤8)的最佳时序的同时，步骤7)获得一个具有量子提升的磁场测量灵敏度。

本实施例中转角度的旋转方向与原子自旋压缩态的方向一致，每相邻两个旋转角度的时间间隔一致，并且每个旋转角度的作用时间远小于每相邻两个旋转角度的时间间隔；

本实施例中探测光为频率与铷原子共振能级远失谐的激光；探测光的方向与所施加同轴线产生磁场的方向互相垂直，并且都垂直于原子自旋压缩态的方向；

本实施例中目标函数为每次旋转操作作用后磁场测量灵敏度的平均值。

本实施例中，变异因子的取值范围为0到1，系数因子的取值范围为0到1，交叉因子的取值范围为0到1。

所述的铷原子系综可以为普通的原子蒸气，也可以为冷原子系综，还可以为其它碱金属原子系综，如铯原子系综等。

以铷87原子蒸气为例，探测光频率设置为与铷原子D2线(52S1/2,F＝2→

5P1/2,795nm)失谐3GHz，如图1所示，探测光沿x方向，原子自旋压缩态沿y方向，主磁场沿z方向，原子自旋压缩态在主磁场的作用下在x-y平面进行拉莫尔进动，探测光经过铷原子蒸气之后与原子发生法拉第相互作用，其偏振被原子自旋以拉莫尔频率Ω

本实施例利用差分进化算法设计出任意调节周期以及脉冲数的周期性调制原子自旋压缩态的脉冲时序，以一个组群包含100组自旋锁定时序，其中每一组时序包括10个随机取值的旋转角度为例，考虑到算法的运行速度，将旋转角度范围设置为n*π/36,其中n为在[0,10]范围内的随机整数。在地磁场50μ特斯拉大小下，铷87原子的拉莫尔进动频率Ω

[π/12,π/36,π/18,π/18,π/36,π/18,π/18,π/18,π/36,π/36]，图3对比了用该时序锁定原子自旋压缩态与不锁定时的磁场测量灵敏度对比图，可以看出，当不锁定时，原子自旋压缩态受到非线性塞曼效应的影响，磁场测量灵敏度随时间周期性震荡，并且大部分时间内都是低于标准量子限的，而在采用量子自旋锁定的方法后，磁场测量灵敏度一直处于高于标准量子限的位置，而且基本保持不变。

与现有技术相比，本发明针对原子自旋压缩态的压缩轴和压缩度在地磁场下随时间周期性震荡的问题，提出一种基于机器学习的量子自旋锁定方法，利用差分进化算法设计出可任意调节周期以及脉冲数的周期性调制原子自旋压缩态的脉冲时序，并通过同轴线圈将此调制脉冲施加到原子自旋压缩态上，将原子自旋压缩态压缩轴锁定在磁力计观测量方向上，并保证压缩度不被降低，实现一个地磁场下的连续稳定输出的自旋压缩态，从而实现量子增强的磁场测量。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。