Qudi：实验控制和数据处理的模块化Python套件-SoftwareX 6（2017）85

SoftwareX 6（2017）85原始软件出版物Qudi：用于实验控制和数据处理的模块化Python套件扬·M放大图片创作者：Bindera，Alexander Starka，b，Nikolas Tomeka，JochenScheuera，Florian Franka，Kay D.放大图片作者：John a，Johna，John a. Metscha，作者：Thomas Undena，Tobias Gehringb，Alexander Huckb，Ulrik L安德森b，Lachlan J.Rogersa，jerk，Fedor Jelezkoa，caUlm大学量子光学研究所，Albert-Einstein-Allee 11，Ulm 89081，Germanyb丹麦技术大学物理系，Fysikvej，Kongens Lyngby 2800，丹麦cCenter for Integrated Quantum Science and Technology（IQst），Ulm University，89081，Germanyar t i cl e i nf o文章历史记录：2016年11月25日收到2017年1月302017年2月2日接受关键词：Python 3Qt实验控制自动化测量软件框架模块化a b st ra ctQudi是一个通用的，模块化的，多操作系统套件，用Python 3编写，用于控制实验室实验。它通过将功能分离为硬件抽象、实验逻辑和用户界面层来提供结构化的环境其核心功能集包括图形用户界面、实时数据可视化、网络分布式执行、通过Quixyter笔记本进行快速原型设计、配置管理和数据记录。目前，包括的模块集中在共焦显微镜，量子光学和量子信息实验，但扩展到其他领域是可能的，并鼓励。©2017作者。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。代码元数据当前代码版本0.6用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-16-00092法律代码许可证GNU General PublicLicense v3使用git的代码版本控制系统使用Python 3的软件代码语言、工具和服务编译要求，操作环境依赖环境：Anaconda，Python 3.4+，Python包：comtypes（仅限Windows），cycler，fysom，gitpython，influxdb，IPython，jedi，jupyter-client，lmfit，lxml，manhole，matplotlib，numpy，PyDAQmx，pycallgraph，pyqtgraph，PyQt4，qtconsole，qtpy，RPi.GPIO（仅Raspberry Pi），rpyc，ruamel.yaml，scipy，spidev（仅Linux），statsmodels，traitlets，visa，pywin32（仅Windows），zmq如果可用，链接到开发人员文档/手册https://ulm-iqo.github.io/qudi-generated-docs/html-docs/问题支持电子邮件qudi@uni-ulm.de*通讯作者。电子邮件地址：www.example.comlachlan.j.rogers @ quantum.diamonds（L. J. Rogers）。http://dx.doi.org/10.1016/j.softx.2017.02.0012352-7110/©2017作者。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softx86J.M. Binder等人/SoftwareX 6（2017）85软件元数据当前软件版本0.6到该版本可执行文件的永久链接https://github.com/Ulm-IQO/qudi/releases/tag/v0.6法律软件许可证GNU通用公共许可证v3计算平台/操作系统Linux，OS X，Microsoft Windows安装要求依赖环境：Anaconda，Python 3.4+，Python包：comtypes（仅限Windows），cycler，fysom，gitpython，influxdb，IPython，jedi，jupyter-client，lmfit，lxml，manhall，matplotlib，numpy，PyDAQmx，pycallgraph，pyqtgraph，PyQt4，qtconsole，qtpy，RPi.GPIO（仅Raspberry Pi），rpyc，ruamel.yaml，scipy，spidev（仅Linux），statsmodels，traitlets，visa，pywin32（仅Windows），zmq如果可用，请链接到用户手册-如果正式出版，请在参考列表中引用该出版物https://ulm-iqo.github.io/qudi-generated-docs/html-docs/问题支持电子邮件qudi@uni-ulm.de1. 动机和意义现代科学实验通常依赖于多个硬件设备以协调的方式一起工作在许多情况下，硬件设备是具有用于经由定制软件直接控制的编程接口的这样的装置的独特组合则特定于给定的实验。有效控制这些实验需要能够协调多个设备操作的软件此外，通过快速的数据处理和可视化来促进数据解释这些挑战的例子时，研究彩色中心的钻石作为固态量子发射器的传感，自旋操纵和量子信息技术。这类实验通常在“自制共焦显微镜”上进行正如2014年诺贝尔化学奖所证明的那样，这些技术已经超越了物理学的范畴，现在这种显微镜正在推动生物学[6-8 ]和纳米技术[ 9，10 ]的进步实验中使用了大量的硬件设备，但缺乏成熟、灵活的实验室控制软件来操作仪器。在这里，我们介绍了Qudi，一个Python软件套件，用于控制复杂的实验和管理测量数据的采集和处理尽管是在量子光学实验室的背景下开发的，但核心Qudi框架广泛适用于涉及多个实验设备协调操作的许多场景。Qudi的免费和开源性质使任何人都可以使用和修改软件以满足他们的研究需求，模块化的代码设计简化了这项任务。Qudi仍在积极开发中，但它已经足够成熟，可以用于可靠的实验室[11]。2. 软件描述2.1. 为什么是Python？Python被选为Qudi的编程语言，因为它与项目目标的概念协同作用作为一种动态的、强类型的脚本语言，Python已经成为科学编程的流行选择[12，13]，因为科学软件的重要性增加[14]。Python开源许可下的源代码可用性，Python的内置模块结构和良好的社区支持降低了学习语言的初始障碍此外，大多数实验室硬件至少有一个为C编程语言指定的应用程序编程接口（API），可以通过Python访问。脚本语言不能取代已建立的编译编程语言，用于需要处理性能或内存效率的任务，但它们非常有用，可以将不同的组件粘合在一起，以便从每个组件提供的优势中受益[15]。这与Qudi将各种设备和控制方法“粘合”在一起以进行特定复杂实验的概念2.2. 曲迪设计Qudi套件由一系列模块组成，这些模块由管理器组件根据图1所示配置文件中的设置加载并连接在一起。 1（a）. 程序启动代码和管理器最初源自神经生理学软件ACQ4中包含的类似元素[16]。启动由单个可执行python文件启动，管理器组件提供日志记录、错误处理、配置读取和远程访问等核心功能。此外，管理器还通过提供用于模块加载、模块依赖性解析和连接、并发执行和对在其他计算机上运行的模块的网络访问的功能来管理其他模块。这种核心基础设施通过提供结构和起点，使快速开发新实验的模块变得更加容易。一个典型的Qudi会议将进行如下。在启动时，Supervisor进程（例如IDE）创建一个Qudi进程。在这个Qudi进程中，管理器组件读取配置文件，设置日志文件并加载配置文件的启动部分通常，启动部分将实验室操作和实验控制由科学模块执行，科学模块在配置文件中指定，科学模块可以从Manager GUI或一个自动化笔记本中加载所需的Qudi中的一些科学模块受到pi 3diamond软件的启发[3科学模块分为三类：硬件交互，实验“逻辑”和用户界面。这些类别和它们之间的关系如图所示。1（b）. 硬件、逻辑和接口的划分代表了任务的明确分离，提高了Qudi代码的可靠性和它还简化了新的实验模块的实施基本的三重区别是Qudi的适应性的基础，并使Qudi成为一个实验控制软件，而不是一个通用的2.2.1. 逻辑模块逻辑模块控制和同步给定的实验。它们将输入参数从用户界面传递到相应的硬件模块，并以所需的方式处理测量数据。这些模块控制信息交换J.M. Binder等人/SoftwareX 6（2017）8587Fig. 1. 曲 堤功能与结构设计。(a)用户通过运行start.py文件启动Qudi，该文件加载负责配置解析、模块管理、错误日志记录和远程网络访问的核心组件。模块管理器读取配置文件以确定对于特定实验室装置应当如何配置一组实验模块。因此，可以进行实验。(b)曲笛实验模块采用三层结构设计。具体的测量被编写为逻辑模块，包括所需的任务和数据分析。这些逻辑模块通过定义良好的接口连接到硬件模块，这意味着只要硬件能够满足最低要求，实验本身就是硬件不可知的。GUI模块连接到逻辑，并为用户提供操作实验的方式，以及显示数据和计算结果的方式。GUI与逻辑的仔细分离意味着以“无头”脚本的方式操作实验同样容易在不同的硬件模块之间，并执行所有必要的计算和转换。逻辑模块是唯一允许彼此交互它们也是唯一拥有自己的线程和事件循环的模块类型因此，它们是处理任务的并发执行和不同设备的同步的地方从测量开始到结束的所有步骤，包括数据评估和存储，都由逻辑执行这甚至可以生成与原始数据一起保存的“可发表”数据图，这些数据图提供了良好的概述，或者可以在不进行后处理的情况下2.2.2. 通过接口进行今天，远程控制大多数实验硬件是可能的，甚至是必要的。不幸的是，命令结构，语法，测量单位和连接方法之间的设备模型或设备从不同的实验硬件供应商有很大的不同。为了获得逻辑模块的最大可重用性，必须能够将硬件模块与提供类似功能但工作和通信方式不同的测量设备互换。硬件模块的任务是通过将逻辑给出的命令翻译成特定硬件的“语言”来克服这些问题。这个问题通过定义一个接口来解决，这是一组给定类型的硬件模块必须实现的这组函数定义在一个类（名为...中的文件中接口文件夹），其中每个函数的默认实现如果在设备特定的实现中没有被替换，则引发异常。这个类然后被实际实现的硬件模块继承，并且所有继承的函数必须被覆盖。硬件模块可以表示虚拟虚拟或模拟硬件，其模拟设备的功能。这些假人可以加载记录的测量文件，创建任意数据，或者可以执行测量的真实物理模拟，其中结果根据逻辑可以访问的接口命令准备虚拟硬件模块最重要的用途之一是在不连接到任何实际硬件的情况下测试实验逻辑2.2.3. 通过“interfuses "实现高级抽象在接口抽象的基础上，Qudi引入了一个额外的概念来促进模块的重用。这种能力是由互熔模块提供的，互熔模块将不同的硬件或逻辑模块互连（或融合），以修改它们的接口行为或实现这些模块最初没有设计的任务。互熔丝是实现硬件接口的逻辑模块在这样做时，它假装是可以连接到实验逻辑模块的硬件这允许核心实验功能保留在逻辑模块中，同时改变测量的数据类型一个具体的例子有助于澄清这一概念。共焦图像（2D阵列）可以表示单个荧光值从每个位置（x， y）的光子计数器一个混合物使可以在每个像素处用分光计测量值代替计数器数据，从而允许用任意光谱滤波对荧光这种做法提高了可维护性并防止代码重复。使用互熔的另一个原因是，所需的功能需要更改现有的接口定义。例如，互熔器可以执行坐标变换以校正共焦扫描中的倾斜样本因此，倾斜表面在共焦图像中看起来是平坦的，然后可以在一致的深度处成像。2.2.4. GUIQudi GUI模块在屏幕上创建用户可以交互的窗口，允许实验控制和数据可视化。它们的目的是为用户提供一种方便的方式与逻辑模块进行交互，但是Qudi在没有GUI模块的情况下功能齐全。逻辑也可以由集成的IPython控制台或从一个IPython笔记本控制。 由于这个原因，GUI模块不允许彼此或直接与硬件交互，并且它们不进行数据处理。Qudi图形用户界面（GUI）是用Qt构建的[20]，为用户提供熟悉的外观。Qt是合适的，因为它的多平台GUI工具包提供了良好的Python绑定[21，22]，并使其有可能将GUI设计与实现的功能分离。此外，Qt此外，Qt还实现了一个信号槽机制[23]，这对于88J.M. Binder等人/SoftwareX 6（2017）85+++++表1Qudi套件中包含的科学模块概述名称目的共聚焦（GUI逻 辑 ）用于成像和定位扫描仪的共焦显微镜接口。优化器（逻辑）自动将图像扫描仪居中于局部信号最大值。odmr（GUI逻 辑 ）微波谐振实验。脉冲（GUI逻 辑 ）脉冲序列测量（脉冲激光和/或微波）。Poimanager（GUI逻 辑 ）用于跟踪多个测量点的兴趣点管理器。磁铁（GUI逻 辑 ）驱动电动载物台上的物理磁体以改变所施加的磁场。拟合（逻辑）获得各种常见模型（高斯、洛伦兹、正弦等）中数据的拟合。计数器（GUI+逻辑） 以连续或门控方式执行并显示二进制事件的计数任务。Wavemeter_logger（GUI+ logic）记录和处理由波长计测量的激光波长的函数数据。光谱仪（GUI+逻辑）记录和显示光谱仪数据。并发性、模块化设计以及GUI模块和逻辑模块之间的交互在此之上，Python库PyQt- Graph [24]可以轻松创建交互式，频繁更新的二维和三维图。用户界面可以在Qt Designer中进行图形化编辑，并存储为XML文件。对于快速原型设计，这个文件可以由运行的Python程序（重新）加载。GUI设计努力遵循KDE人机界面指南[25]，因为这些指南强调界面熟悉度的重要性，并且它们与默认的Qt用户界面元素集配合良好。2.2.5. 交互式脚本交互式脚本为灵活的软件套件提供了强大的附加用户界面。Qudi包含一个内置的控制台，带有一个完全集成的IPython解释器。此外，Qudi可以从一个笔记本电脑控制。这使得编写带有增量执行以及内联可视化和分析的脚本化文档成为可能。无论是控制台还是笔记本电脑都可以控制Qudi软件的所有内部状态。这些功能可以实现快速实验原型，因为开发人员可以在更改硬件或逻辑模块之前测试不同的方法。3. 影响和再利用潜力Qudi套件适用于任何中小型计算机控制的实验室实验。它的模块化设计结合接口定义的使用，使其易于将新硬件集成到现有实验中。此外，这种设计提供了在新实验中轻松重用现有模块的能力Qudi核心基础设施具有广泛的适用性，甚至超出了共聚焦显微镜或一般物理实验的范围Qudi尤其对量子光学界有着更切实的影响。现有的模块已经可以控制共焦显微镜、电磁铁、电动载物台、激光器、（任意）信号发生器以及该研究领域中使用的其他设备表1列出了Qudi套件中目前包含的科学模块此外，典型的测量协议和数据分析功能已经实现。这些现有的模块使Qudi成为一个现成的基于Python的软件套件，适用于量子光学实验室，独立于不同实验室使用的单个硬件和测量方案。组4. 说明性示例在金刚石[26，27]中对单色心进行光学检测磁共振（ODMR）的测量需要扫描共聚焦显微镜和微波源的协调操作。本节描述了如何使用Qudi执行此类测量，说明了本文中概述的软件设计带来的的感兴趣的读者可以使用与Qudi一起分发的默认配置来执行此过程这个实验使用了第一步是在钻石内部找到一个单一的色心Qudi共焦GUI和逻辑模块用于在三维中移动衍射限制焦点通过金刚石样品[28这通过由共焦逻辑控制的扫描硬件来实现。光子计数器记录了共聚焦显微镜测量的荧光，这个硬件设备将数据发送到共聚焦逻辑。共焦逻辑产生作为位置的函数的荧光图像图2示出了共焦GUI，其中左侧是x-y为了聚焦于单个中心，用户将共焦光标放置优化器模块在光标周围执行一系列近距离扫描，并且通过构建在lmfit包上的拟合模块找到最大荧光的最佳位置[32]。在x-y平面扫描上执行2D高斯拟合， 这些如图所示。 2位于共聚焦GUI的右下角。最后，优化器模块将扫描硬件移动到聚焦在所需单色中心上的最佳位置。除了空间对准之外，还必须匹配微波谐振条件，以便检测光信号中的期望变化[26，27，33ODMR逻辑模块控制微波源的频率，同时记录荧光水平。Qudi的设计意味着ODMR逻辑能够轻松驱动各种微波源硬件，增加了实验室的灵活性。通过扫描微波频率并记录荧光来进行ODMR实验记录的数据在ODMR GUI的屏幕上实时显示为所有频率扫描的荧光总和和包含每个扫描的矩阵图（图2，右下角）。通过保存色心位置，然后使用脚本从一个点移动到另一个点，优化每个点的位置并记录ODMR光谱，可以自动测量多个点的ODMR扫描。5. 结论和今后的方向Qudi是一个通用的实验控制软件套件，具有支持实验模块化设计的基础设施，大大减少了构建新实验的工作量。Qudi已经提供了一套成熟的量子光学工具，能够可靠地进行实验室操作，并提供了一个现代化的用户界面。目前正在继续努力扩大现有科学单元的图书馆。未来的一个优先事项是通过提供图形配置编辑器来简化Qudi此外，让Qudi可以从Python安装也很方便。J.M. Binder等人/SoftwareX 6（2017）8589图二、 用于在实验室中进行ODMR实验的Qudi简化图示。实验装置由三个主要部分组成利用共聚焦显微镜，在绿光激发下，对金刚石中色心的红色荧光进行成像。物镜可以通过扫描仪硬件在所有三个维度上进行扫描雪崩光电二极管（APD）检测红色荧光光子，由数字数据采集硬件计数此外，信号发生器将色心暴露于微波场，这降低了某些共振频率（ODMR）下的荧光共焦GUI显示用于定位光学焦斑的荧光图像，ODMR GUI显示微波共振光谱。该图示出了用户的体验，并且没有示出执行实验功能的逻辑模块（关于此图例中颜色的参考解释，请读者参考本文的网络版本包装索引。在实验操作的上下文中，期望增强的自动化能力以允许用户在不编程的情况下重新布置致谢我们要感谢Boris Naydenov倡导使用可供整个量子光学研究所使用的软件平台，并维护该软件的前身。此外，我们还要感谢OuWang，Gerhard Wolff，Samuel Müller和Andrea Filipovski对软件，测试和报告错误的贡献这 项 工 作 得 到 了 ERC （ ERC-2013-SyG ） ， 欧 盟 （ FP 7 赠 款667192，611143）项目（SIQS，DIADEMS，EQUAM），DFG(FOR 1493和SFBTR 21），BMBF（项目Q-Com），大众汽车基金会，丹麦创新基金会（EXMAD项目编号1311- 00006 B和Qubiz）和丹麦独立研究研究委员会（DIMS项目编号4181- 00505 B，个人博士后和Sapere Aude，4184- 00338 B）。引用[1] Jelezko F，Gaebel T，Popa I，Gruber A，Jasachtrup J.单电子自旋中相干振荡 的 观 察 。 物 理 学 评 论 快 报 2004;92 （ 7 ） ： 076401 。http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.92.076401网站。[2] Balasubramanian G，Neumann P，Twitchen D，Markham M，Kolesov R，Mizuochi N，et al. 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