Anales AFA Vol. 31 Nro. 2 (Julio 2020 - Septiembre 2020) 62-66
Fundamentos e Información Cuántica
DESARROLLO EN LABVIEW Y MATLAB PARA EL CONTROL Y
AUTOMATIZACIÓN DE EXPERIMENTOS EN ÓPTICA CUÁNTICA
DEVELOPMENT IN MATLAB AND LABVIEW FOR THE CONTROL AND
AUTOMATIZATION OF EXPERIMENTS IN QUANTUM OPTICS
M. E. Nonaka
*1
, M. B. Agüero
1
, A. A. Hnilo
1
, M. G. Kovalsky
1
1
Centro de Investigaciones en Láseres y Aplicaciones (CEILAP), UNIDEF (CITEDEF - CONICET),
Juan Bautista de La Salle 4397 (B1063ALO), Villa Martelli, Buenos Aires, Argentina.
Recibido: 09/04/2020 Aceptado: 18/05/2020
https://doi.org/10.31527/analesafa.2020.31.2.62 2020 Anales AFA
Autor para correspondencia: mnonaka@citedef.gob.ar
Resumen:
En el presente trabajo, se describe el desarrollo en la plataforma LabVIEW junto con el entorno de
programación de MATLAB para el control y automatización de experimentos de óptica cuántica. El
programa desarrollado, permite la comunicación con los diferentes dispositivos involucrados:
detectores SPCM (Single Photon Counters Modules) de fotones; conversor TDC (time to digital
converter) ID900 de ID Quantique con resolución de 10 ps y rotadores motorizados PRM1Z8
(Motorized Rotation Stage de Thorlabs). El sistema implementado, permite trabajar de forma óptima
durante los experimentos de laboratorio que deben realizarse en la oscuridad, evitando errores de
manipulación durante el proceso de medición.
Palabras clave: automatización, control, óptica cuántica.
Abstract:
In this paper, it is described the development in the LabVIEW plataform together with the
programming context of MATLAB for the control and automation of quantum optics experiments. The
developed program allows the communication of the different involved devices: SPCM (Single Photon
Counters Modules) photon detectors; TDC (time to digital converter) converter ID900 from ID
Quantique with 10 ps of resolution and the motorized rotators PRM1Z8 (Motorized Rotation Stage
from Thorlabs). The implemented system, allows to work optimally during the laboratory experiments
that must be performed under darkness condition, this avoids manipulation errors during the
measurement process.
Keywords: automation, control, quantum optics.
I. INTRODUCCIÓN
El control y la automatización de los dispositivos involucrados durante los ensayos en laboratorio son
herramientas esenciales para trabajar de forma óptima y eficiente durante el proceso de medición. En
particular, la mayoría de los experimentos de óptica cuántica se basan en la detección fotones
individuales.
1,2
Esto necesariamente impone restricciones en las condiciones de trabajo: muchas de las
mediciones deben realizarse en completa oscuridad. Durante los experimentos también es necesario
controlar una serie de instrumentos de forma individual y monitorear parámetros.
En este trabajo presentamos el diseño de diferentes programas para la adquisición de datos y control de
instrumentos aplicados a experimentos con fotones entrelazados en polarización. Los programas se
desarrollaron en los lenguajes de programación gráfica LabVIEW (desarrollado por National
Instruments) y en MATLAB. A continuación (Sec. II) se detalla el dispositivo experimental. En la Sec.
III se incluye la descripción de los diferentes programas desarrollados y en la Sec. IV se presentan las
conclusiones de este trabajo.
II. ARREGLO EXPERIMENTAL
Los pares de fotones entrelazados en polarización se generaron por fluorescencia paramétrica (SPDC
spontaneous parametric down-conversion) bombeando un par de cristales no lineales BBO tipo I con
un láser de diodo que emite en la longitud de onda de 405 nm. El láser puede operar en modo continuo
o pulsado y tiene una longitud de coherencia mayor a 4 cm. En la Fig. 1 se muestra un esquema del
dispositivo experimental.
FIG. 1: Esquema del arreglo experimental. BBO: cristal generador de pares de fotones entrelazados.
HWP: láminas de media onda montadas en rotadores motorizados. SC: sistema de colección. SPCM:
módulo para conteo de fotones. TDC: time to digital converter.
La detección de los fotones se realiza en las estaciones A y B. Los fotones atraviesan el sistema de
colección (SC) que incluye polarizadores, láminas de media onda (HWP) para 810 nm, filtros
interferenciales (centrados en 810 nm) y objetivos de microscopio.
3
Luego la radiación se acopla a
fibras ópticas multimodo conectadas a los detectores de fotones individuales SPCM-AQR-13-FC
(Single Photon Counters Modules) de Perkin-Elmer. Con la detección de un fotón, estos módulos
emiten un pulso TTL con una duración temporal de 35 ns y con un tiempo muerto de 50 ns entre pulso
y pulso.
En la etapa de alineación del sistema de detección es útil emplear electrónica de coincidencias (UDC:
Unidad de Detección de Coincidencias). La UDC cuenta con dos canales de entrada (A
in
, B
in
) que
reciben la señal de cada SPCM, y tres canales de salida (A
out
, B
out
y C) que se conectan al TDC.
Esta unidad, que registra y procesa los pulsos TTL de los detectores, se basa en compuertas lógicas
AND mediante las cuales se determina si el par de fotones (registrados por distintos SPCM) fueron
detectados dentro de una misma ventana temporal de coincidencias.
4
Si los pulsos en las entradas (A
in
,
B
in
) están separados un tiempo menor a su ancho, se registra simultáneamente un valor de tensión alto y
se mide una coincidencia (C).
La UDC se conecta a tres entradas analógicas-digitales de un conversor TDC (Time to Digital
Converter) ID900 de ID Quantique
5
con resolución de 10 ps y versión de firmware 0.11, que registra
los pulsos provenientes de los SPCM (A
out
, B
out
) y las coincidencias (C). El ID900 se conecta al puerto
Ethernet de la PC y la comunicación entre el dispositivo y la PC se efectúa utilizando los programas
desarrollados bajo la plataforma LabVIEW que se presenta como una interfaz de usuario, permitiendo
que el operador ingrese los diferentes parámetros de entrada del experimento. En la Fig. 2 se presenta
el esquema de conexiones de los dispositivos involucrados durante la etapa de alineación.
FIG. 2: Esquema de conexiones para la etapa de alineación.
Finalizada esta etapa de alineación, se retira la UDC y los SPCM se conectan directamente a dos
entradas del TDC. Las láminas HWP se montan en rotadores motorizados PRM1Z8 (Motorized
Rotation Stage de Thorlabs) permitiendo tener un control preciso sobre el ángulo de rotación de las
láminas. Los rotadores se conectan a la PC a través del puerto USB y la comunicación entre el
dispositivo y la PC se efectúa con el entorno de programación MATLAB, el cual se integra dentro del
desarrollo de los diferentes programas en LabVIEW. El esquema de conexiones de los dispositivos
involucrados para la automatización y el control de los diferentes equipos empleados en el experimento
se indica en la Fig. 3.
FIG. 3: Esquema de conexiones para la automatización del arreglo experimental.
III. DESARROLLO DE PROGRAMAS DE CONTROL Y MEDICIÓN
Programa para el registro de coincidencias
Uno de los requerimientos básicos en este tipo de experimentos es contar con un programa que permita
alinear el sistema de detección (ver Sec. II). El programa desarrollado en LabVIEW para este fin
permite visualizar de forma gráfica el número cuentas por segundo que se detectan por los diferentes
canales de entrada del TDC (Entradas 1, 2 y 3). Además cuenta con la posibilidad de salvar en un
archivo de texto el resultado de distintas mediciones realizadas. En el diagrama de flujo de la Fig. 4 se
muestra en forma general el protocolo del programa que se describe a continuación:
A) Inicio del Programa.
B) El usuario ingresa los datos y parámetros necesarios del experimento: 1- la dirección IP del
dispositivo ID900 con el cual se realizará la comunicación TCP/IP con la computadora; 2- el
umbral de tensión (en mV) que utilizará el ID900 para la detección de los pulsos provenientes de
la UDC. Notar que estos umbrales pueden definirse de manera independiente para cada canal.
FIG. 4: Diagrama de flujo del programa de coincidencias.
C) Se activa la comunicación TCP del ID900 con la computadora por medio de la dirección IP del
dispositivo y el puerto 5555.
D) Se configura el ID900: umbrales, etc.
E) Se revisa si se ha seleccionado la opción que salva las mediciones. En caso afirmativo, se ejecuta
la instrucción I). En caso de no haber habilitado esta opción, se pasa a la instrucción F).
F) Se adquieren las cuentas por segundo de los canales (INPU#:COUN?). El numeral # debe
representarse por el respectivo canal, en el caso del canal 2, # = 2.
G) Se chequea si está seleccionada la opción de graficar la medición. Si se lo ha seleccionado, se
realiza el punto H). En caso contrario, se pasa al punto E).
H) Se almacena el número de cuentas por segundo de cada canal en un vector distinto y se grafican
los valores del vector.
I) Se guarda el vector de cuentas por segundo en un archivo de texto.
J) Se desactiva la comunicación TCP del ID900 con la computadora por medio de la dirección IP del
dispositivo y el puerto 5555.
K) Fin del programa.
Programa de registro temporal con control automatizado de rotador
El siguiente programa desarrollado en LabVIEW permite el registro de los tiempos de llegada de
fotones individuales a dos detectores SPCM remotos y controla el movimiento de los rotadores
motorizados.
En esta adquisición los SPCM se conectan a la entrada del conversor TDC ID900 generando las series
de time-stamping, a partir de las cuales se obtienen las coincidencias entre las estaciones A y B. Para
determinar el entrelazamiento cuántico el sistema realiza automáticamente, mediante la rotación de
láminas HWP controladas por los rotadores motorizados PRM1Z8, las 16 mediciones necesarias para
calcular la desigualdad de Bell en su forma CHSH.
6
En el diagrama de flujo de la Fig. 5 se muestra en forma general la lógica del programa. En este caso el
registro de los datos experimentales cuenta con las siguientes etapas:
A) Inicio del programa.
B) Se cargan los datos y parámetros necesarios para la realización del experimento: 1- una lista de
posiciones angulares creada por el usuario (los valores se obtienen de un archivo de texto que
contiene los ángulos dispuestos uno debajo del otro); 2- la dirección IP del dispositivo ID900 con
el cual se realizará la comunicación TCP/IP con la computadora; 3- el número de serie del rotador,
que permitirá identificar el hardware para la transferencia de datos; 4- el tiempo de adquisición
para cada orientación del rotador (tiempo durante el cual se monitoreará las entradas del ID900 y
se salvaguardarán los datos mientras los rotadores se encuentren en una posición angular fija); 5-
el umbral que utilizará el ID900 para la detección de los pulsos provenientes de los SPCM.
C) Se utiliza el comando HOME de los rotadores PRM1Z8 para llevar al motor a la posición de 0°.
Este paso evita errores a posteriori en el posicionamiento angular con respecto a la lista de ángulos
cargados. La comunicación de los rotadores se realizó mediante MATLAB a través de LabVIEW.
D) Se activa la comunicación del ID900 con la computadora por medio de la dirección
“tcp://localhost:6060”. Los datos desde el dispositivo se sincronizan con la computadora por
medio de un ejecutable provisto por el fabricante (“DataLinkTargetService .exe”). La transmisión
se realiza por diferentes puertos. Por ejemplo, para la entrada 1 al 4 el puerto utilizado es del 5556
al 5559.
FIG. 5: Diagrama de flujo del programa de time-stamping con rotador.
E) Se realiza la lectura de los valores de las posiciones angulares del archivo de texto.
F) Para cada posición angular se generan archivos en formato BIN (uno por cada canal de entrada del
ID900). En esta etapa se habilitan los distintos canales de entrada (INPU#:ENAB ON) y se
configuran los distintos parámetros de adquisición - umbrales (INPU#:THRE D mV), delay
(INPU#:DELAY D), etc. - utilizando comandos con sintaxis de la norma SPCI (Standard
Commands for Programable Instruments) que provee el fabricante en su manual de usuario. El
numeral # debe representarse por el respectivo canal. En el caso del canal 1, numeral es igual a 1.
La letra D, es una letra arbitraria, debe reemplazarse por un valor elegido.
G) Se activa la adquisición time-stamping (TSST#:DATA:RAW:SEND ON) para los distintos
canales de entrada seguido del comando (TSGE8:ENAB ON). Notar que para que este comando
responda se debe configurar previamente el generador interno del dispositivo
(TSGE8:ONES:PWID D000000000), en donde D es el valor en milisegundos.
H) Se espera hasta que transcurra el tiempo de adquisición.
I) Se desactiva la adquisición de time-stamping (TSST#:DATA:RAW:SEND OFF) para cada canal.
J) Se efectúa la verificación de errores de transmisión durante la adquisición.
K) Se cierran los archivos creados en el punto E).
L) Se repiten los puntos E) al K) hasta terminar el listado de valores de posiciones angulares.
M) Se desactiva la comunicación del ID900 con la computadora por medio de la dirección
“tcp://localhost:6060”.
N) Fin del programa.
FIG. 6: Interfaz gráfica del programa empleado para la alineación, realizando la adquisición de datos
con el ID900 Time Controller.
En la Fig. 6 se presenta el diseño de la interfaz gráfica del programa que se utiliza para la alienación del
experimento. Todos los programas fueron probados en el dispositivo experimental que se describió en
la Sec. II. En particular, en la Fig. 7 se muestran las curvas de coincidencias con registro time-stamping
variando la orientación de las HWP montadas en los rotadores motorizados (α = ángulo de la HWP,
estación A; β = ángulo de la HWP, estación B). El alto contraste de las curvas indica que el sistema se
encuentra bien alineado y que la fuente emite pares de fotones entrelazados en polarización alcanzando
un valor del parámetro de Bell
2,67 0,01
CHSH
S 
.
FIG. 7: Curvas de contraste obtenidas con registro time-stamping.
IV. CONCLUSIONES
En este trabajo se presentó el desarrollo de diferentes programas basados en el entorno de
programación LabVIEW y MATLAB para lograr la automatización en la adquisición y control de
equipos en experimentos de óptica cuántica. Se obtuvieron herramientas de gran utilidad integrando en
una única plataforma el manejo de diferentes equipos de laboratorio (detectores de fotones, estaciones
motorizadas y TDC).
Al trabajar en ambientes con completa oscuridad, los programas desarrollados limitaron la posibilidad
de introducir errores durante la ejecución de las distintas tareas porque los parámetros de la medición se
cargan al inicio del experimento. La estabilidad de los programas desarrollados brindan autonomía
permitiendo realizar mediciones en distintas configuraciones por varias horas si el experimento así lo
requiriera.
Si bien los códigos desarrollados satisfacen requerimientos específicos, también podrían implementarse
en otras áreas donde se necesiten realizar adquisiciones de datos automatizadas.
AGRADECIMIENTOS
Este trabajo recibió apoyo de los subsidios N62909-18-1-2021 Office of Naval Research Global (USA)
y PIP 2017 0100027C CONICET (Argentina).
REFERENCIAS
1. M. Agüero, A. Hnilo y M. Kovalsky. Time-resolved measurement of bell inequalities and
coincidence loophole. Phys. Rev. A 86, 052121 (2012).
2. I. Lopez Grande y M. Larotonda. Estabilización activa de la polarización en enlace de fibra óptica
monomodo para comunicaciones cuánticas. Anales AFA 26, 195–201 (2016).
3. M. Nonaka, M. Agüero, M. Kovalsky y A. Hnilo. A novel time stamping data acquisition system
using a digital oscilloscope for single photon counting en XVII workshop on information processing
and control (RPIC) (IEEE Xplore, Mar del Plata, Argentina, 2014), 1-4.
4. M. Agüero. Fotones en estados entrelazados: mediciones con resolución temporal Tesis doct.
(Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, 2013).
5. Especificaciones del ID900 de ID Quantique https://www.idquantique.com/quantum-
sensing/products/id900-time-controller/. Accedido: 01-04-2020.
6. J. Clauser, A. Horn, A. Shimony y R. Holt. Proposed experiment to test local hidden-variable
theories. Phys. Rev. Lett. 23, 880 (1970).