Deterministic Ultracold Ion Source targeting the Heisenberg Limit
制造量子处理器和未来纳米固态器件的主要挑战是具有纳米分辨率的材料改性技术和抑制掺杂剂或量子比特载体的统计波动。基于mK激光冷却的分段离子阱，我们实现了一个确定性的单离子源，它可以工作于大范围的同感冷却离子种类、同位素或离子分子。我们已经确定性地提取了预定数量的离子的需求，并测量了6.3米/秒的纵向速度的不确定性和0.6毫拉德的空间光束发散。我们在数值模拟中表明，如果离子被冷却到运动的基态（海森堡极限）纳米空间分辨率可以实现。
2009-02-03 quant-ph
Molecular Dynamics Simulation of Sympathetic Crystallization of Molecular Ions
它示出了各种各样的分子的平移自由度，从轻的双原子到重的有机分子，可以被同情地冷却，并在线性Paul陷阱中休息（结晶）。该方法依赖于赋予分子适当的正电荷，存储在线性射频陷阱，和交感神经冷却。两种公知的原子冷却剂物质，${}^9{\hbox{Be}}^+$和${}^{137}{\hbox{Ba}}^+$，足以冷却分子量范围从2到20，000amu。同时捕获重分子和冷却剂离子所需的大分子电荷可以很容易地使用电喷雾电离产生。结晶的分子离子为新的研究提供了巨大的机会。
2003-09-15 quant-ph
Dynamics of axialized laser-cooled ions in a Penning trap
我们报告的实验表征的轴化-一种方法，减少磁控管运动的少量离子存储在潘宁陷阱。这是研究潘宁陷阱对量子信息处理的适用性的重要一步。磁控管运动耦合到激光冷却的修改回旋运动的应用程序的近共振振荡四极电位（“轴向驱动器”）。离子的径向运动的冷却速率的测量表明，施加轴向驱动的磁控管运动的阻尼率的数量级的增加。实验结果与最近的理论研究定性一致。特别地，当轴向化驱动频率扫过最佳值时，在运动频率中观察到经典的避免交叉，证明轴向化确实是共振效应。
2007-10-24 quant-ph
Coupling two laser-cooled ions via a room-temperature conductor
我们证明了两个独立捕获的离子与620 $μ$ m的分离距离的运动之间的耦合。离子-离子相互作用是通过一个室温电浮动金属线连接两个表面陷阱增强。调谐到共振的两个离子的运动，我们显示了11赫兹的耦合率的能量流。在我们的器件中，强表面电场噪声阻碍了量子相干耦合。我们的离子线离子系统表明，室温导体可用于调解和调谐独立捕获的电荷之间的相互作用超过自由空间偶极偶极耦合可实现的距离。该技术可用于同情地冷却或纠缠远程捕获的电荷，并实现不同物理系统之间的耦合。
2021-07-02 physics.atom-ph quant-ph
Rotational excitation in sympathetic cooling of diatomic molecular ions by laser-cooled atomic ions
Universität Kassel（卡塞尔大学）；Universidad Autónoma de San Luis Potosí（圣路易斯波托西自治大学）；Aarhus University（奥胡斯大学）；Freie Universität Berlin（柏林自由大学）
研究通过激光冷却原子离子与双原子分子离子的库仑相互作用，分析协同冷却过程中旋转激发的影响，评估冷却时间及分子内部状态的纯度。
2026-01-15 physics.atom-ph quant-ph
Blackbody-radiation-assisted molecular laser cooling
在离子阱中，分子离子的平移运动可以通过与激光冷却的原子离子的库仑相互作用而被有效地冷却到低于100 mK的温度。然而，内部振转态的分布在几十秒内与通常高得多的环境温度达到热平衡。我们考虑这样的内部热的旋转冷却的概念，但冷却异源双原子分子离子。该方案依赖于从几个特定旋转能级到"暗态“的光泵浦与黑体辐射介导的旋转粒子数再分布的组合。
2002-06-19 physics.atom-ph physics.chem-ph quant-ph
Spectroscopy and Directed Transport of Topological Solitons in Crystals of Trapped Ions
我们从实验和理论上研究了由几十个激光冷却的离子组成的晶体结构中的离散孤子。共振激发局域的，光谱间隙的孤子振动模式，一个非线性机制导致连续冷却的晶体的非平衡稳态。我们发现孤子的传播和从准一维通道中的逃逸可以用热激活机制来描述。我们通过外激发的振幅来控制孤子集体坐标的有效温度。此外，全局捕获势允许控制孤子动力学，并实现定向输运依赖于其拓扑电荷。
2017-05-05 quant-ph
Mode shaping in mixed ion crystals of 40Ca2+ and 40Ca+
本文研究了40 Ca ~（2+）和40 Ca ~（2+）离子在线性Paul阱中的混合库仑晶体。用真空紫外激光源将捕获的40 Ca+光电离产生双电荷离子，并通过多普勒冷却的40 Ca+离子进行共振冷却。我们从实验和理论上研究了这些混晶的结构构型和振动模式。我们的结果与40钙2+是一个重要的一步，实验实现的建议，模式成形的线性晶体和自旋相关的配置变化，从锯齿形到线性提出的李等，Phys.Rev.A87，（2013）052304和Phys. Rev. Lett 108，（2012）023003中使用激发到里德堡态的离子。
2013-06-05 physics.atom-ph quant-ph
Motional studies of one and two laser-cooled trapped ions for electric-field sensing applications
我们研究了一个和两个激光冷却捕获的$^{40}$ Ca $^+$离子的动力学通过施加不同性质的电场沿轴向的陷阱，即，驱动的运动与谐波偶极场，或与白噪声。这两种类型的驱动诱导不同的运动状态的轴向模式;相干振荡的偶极场，或增强的布朗运动由于额外的贡献，从电噪声的加热速率。在这两种情况下，一个孤立的离子和激光冷却的双离子晶体的灵敏度进行了评估和比较。这种动力学的分析和理解是重要的实现一种新的潘宁阱质谱技术的基础上，光学检测，旨在提高精度和灵敏度。
2017-08-22 physics.atom-ph quant-ph
Fast photon-mediated entanglement of continuously-cooled trapped ions for quantum networking
本文提出利用真空内高数值孔径物镜收集可见光子并干涉探测，实现钡离子量子比特的高保真纠缠，同时引入镱离子协同冷却，使纠缠速率达到每秒250次，为量子网络提供连续高效的纠缠源。
2024-07-03 physics.atom-ph quant-ph
Colloquium: Trapped ions as quantum bits -- essential numerical tools
被囚禁的激光冷却的原子和离子是量子系统，可以通过实验以前所未有的精度控制。由于对运动和内部自由度的控制，这些量子系统可以用一个众所周知的哈密顿量来描述。在这次座谈会上，我们提出了强大的数值工具的外部控制的运动和内部状态的被困中性原子的优化，明确适用于被困激光冷却离子在分段离子阱的情况下。然后，我们深入研究解决逆问题，优化离子的捕获电位时。我们的介绍是补充量子力学处理的波包动力学的被困离子。有效的数值求解时间无关和时间相关的问题。利用量子最优控制技术实现了对运动波函数的整形和对量子门的优化。所提出的数值方法也可以用来获得一个直观的理解量子实验与囚禁离子在个人计算机上进行虚拟模拟实验。代码和可执行文件作为补充在线材料提供（http：//kilian-singer.de/ent）。
2010-06-15 quant-ph
Doppler Cooled Ions in a Compact, Reconfigurable Penning Trap
我们报告的设计和实验演示的一个紧凑的，可重构的潘宁离子阱构造与稀土永磁体放置在阱真空外壳外。我们描述了多普勒激光冷却离子在永磁体潘宁陷阱的第一次观察。我们详细介绍了一种方法，用于量化和优化的陷阱磁场均匀性原位使用中性$^{40}$钙前体原子的热束。在0.65 T下对$^{40}$ Ca $^+$进行了多普勒激光冷却，捕获离子荧光的侧视图显示了二维和三维阵列的结晶顺序。测量的$^{40}$ Ca $^+$陷阱频率证实了中性$^{40}$ Ca的磁场表征。这里描述的紧凑型阱能够实现各种冷离子实验，相对于传统的基于电磁体的潘宁阱，具有低尺寸、重量、功率和成本要求。
2019-09-13 physics.atom-ph quant-ph
Individual addressing of trapped ions and coupling of motional and spin states using rf radiation
在静态磁场梯度的存在下，使用射频辐射在频率空间中处理单个电动捕获和激光冷却的离子。此外，运动和自旋状态之间的相互作用，由射频场诱导的表现采用射频光学双共振光谱。这是实现一个新的概念，实现量子模拟和量子计算与捕获离子的两个重要的实验步骤。
2009-02-23 quant-ph
Coulomb crystallization of xenon highly charged ions in a laser-cooled Ca+ matrix
University of Birmingham（伯明翰大学）；Max-Planck-Institut für Kernphysik（马克斯·普朗克核物理研究所）；Humboldt-Universität zu Berlin（柏林洪堡大学）；Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY)（德国电子同步辐射中心）；Physikalisch-Technische Bundesanstalt（德国联邦物理技术研究院）
通过激光冷却的Ca+离子对氙高电荷离子进行协同冷却和库仑结晶，实现了混合物种晶体，为光学频率计量、新物理探索和量子信息科学提供了平台。
2026-06-12 cond-mat.quant-gas physics.atom-ph quant-ph
A simple method for characterization of the magnetic field in an ion trap using Be+ ions
本文提出了一种用激光冷却Be ~+离子测定离子阱中磁场的简单方法。该方法不基于磁共振，因此不需要将射频（RF）辐射递送到陷阱。相反，使用受激拉曼光谱，并且仅需要激光冷却波的容易产生的光学边带。直流磁矢量，平均超过Be+离子合奏，确定。此外，可以使场强最小化，并且可以确定场梯度的上限。目前该方法的分辨率为0.04G。简要讨论了分子氢离子的精密振转光谱的相关性。
2014-10-06 quant-ph
Deterministic delivery of externally cold and precisely positioned single molecular ions
我们提出了一个可选择的外部冷分子离子的制备和确定性交付。激光冷却的Mg^+离子系综随后被限制在几个线性保罗阱中，这些保罗阱通过四极波导相互连接，作为单个或多达几百个分子离子的冷浴。交感冷却将分子离子嵌入晶体结构中。MgH^+离子作为其他各种可能的分子离子的模型系统，被冷却到接近多普勒极限，并以1微米的精度定位。在生产过程之后，严重损害真空条件，分子离子被有效地转移到几乎无背景的环境中。演示了分子离子在不同陷阱之间的转移以及对陷阱中分子离子的控制。方案，优化了特定数量的离子的转移，实现和他们的效率进行评估。这种多功能源适用于外部冷和精确定位的分子离子的宽电荷质量比，可以作为一个无容器的目标制备设备，非常适合于在高重复率（kHz）下对单个分子离子进行衍射或光谱测量。
2011-10-19 physics.atom-ph quant-ph
Ion counting and temperature determination of Coulomb-crystallized laser-cooled ions in traps using convolutional neural networks
本文提出基于卷积神经网络的图像分析方法，从荧光图像快速准确测定库仑晶体的离子数目与温度，实现非侵入式原位监测，助力实时控制。
2025-09-08 physics.app-ph physics.atom-ph physics.chem-ph
The effect of atomic response time in the theory of Doppler cooling of trapped ions
我们描述了一个简单的方法，将一个原子或离子的多普勒冷却到理论的冷却过程的响应时间的问题。被冷却的系统通常不会立即响应其在静止坐标系中经历的变化的激光频率，并且这种“动态效应”会显著影响可达到的温度。这是特别重要的捕获离子时，有一个缓慢的衰变出的冷却循环需要使用的再泵浦束。我们处理了两个和三个内部状态的囚禁离子的情况下，然后将理论应用到$^{40}{\rm Ca}^+$。对于这个离子存在的实验数据表明，离子是冷的条件下，加热预测，如果忽略动态效应。本理论解释了观察到的行为。
2017-06-14 physics.atom-ph quant-ph
Numerical Simulations of 3D Ion Crystal Dynamics in a Penning Trap using the Fast Multipole Method
University of Colorado, Boulder（科罗拉多大学博尔德分校）；Indian Institute of Science（印度科学学院）；National Institute of Standards and Technology（美国国家标准与技术研究院）；Renewable and Sustainable Energy Institute, University of Colorado, Boulder（科罗拉多大学可再生能源与可持续能源研究所）
本研究利用快速多极方法模拟Penning陷阱中三维离子晶体的动力学，展示了通过激光冷却实现超冷温度的可行性，为未来量子实验提供新平台。
2024-05-22 physics.comp-ph physics.plasm-ph quant-ph
Experimental apparatus for overlapping a ground-state cooled ion with ultracold atoms
由于其广泛的研究应用，从量子化学到固态系统的量子模拟，带电离子和中性原子在重叠陷阱中的实验实现越来越受到人们的关注。在这里，我们描述了一个系统，在该系统中，我们重叠一个单一的基态冷却离子被困在一个线性保罗陷阱与云的超冷原子，使这两个成分是在$μ$ K制度。过量微动（EMM）目前将原子-离子相互作用能量限制在mK能量标度及以上。我们展示了光谱方法和补偿技术，其特征在于，并减少离子的寄生EMM能量的$μ$ K制度，即使是几个离子的离子晶体。本文对支配原子-离子系统的非平衡动力学作了一个实质性的评述。非平衡动力学表现为离子能量的幂律分布。本文综述了用于表征单原子到多原子碰撞后离子能量分布的相干和非相干测温技术。
2017-05-07 cond-mat.quant-gas physics.atom-ph quant-ph
Parallel ion strings in linear multipole traps
额外的射频（rf）电位施加到线性多极阱创建额外的场节点在径向平面，使一个限制单离子，或离子串，在完全射频场自由的地区。节点的数量取决于所施加的多极电势的顺序，并且它们的相对距离可以容易地通过所施加的电压的幅度变化来调整。利用分子动力学的模拟表明，离子弦可以在空间的所有方向上被激光冷却到多普勒极限。一旦冷却，即使冷却过程关闭，有组织的系统也可以在非常有限的加热下移动。
2011-03-13 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Formation of molecular ions by radiative association of cold trapped atoms and ions
本文采用基于有效实势的量子化学方法，对激光冷却Rb原子与碱土金属离子（Ca $^+$，Sr $^+$，Ba $^+$）和Yb $^+$，以及Li与Yb $^+$冷碰撞过程中的辐射发射进行了理论研究.辐射缔合的分子离子的预测发生的所有系统的截面大于辐射电荷转移一个两到十倍。部分和总的速率常数也计算和可用的实验进行比较。窄形状的共振是预期的，这可以在低温下检测到的实验分辨率在目前的标准的限制。振动分布也进行了计算，表明最终的分子离子没有创建在其基态水平。
2015-02-28 physics.atom-ph quant-ph
A new method for producing ultracold molecular ions
提出了一种制备超冷分子离子的新方法。该方法利用适当选择的分子离子和激光冷却的中性原子之间的强烈碰撞产生的共振冷却来实现超冷的内部基态分子离子。与其他产生冷分子离子的实验相比，我们提出的方法有效地冷却了内部和外部分子离子的自由度。分子离子的超冷、绝对基态样本的可用性将对量子化学、天体物理学和基础物理学等领域产生广泛的影响;并可能导致强大的、可扩展的量子计算机的发展。
2008-11-15 physics.atom-ph physics.chem-ph quant-ph
Adiabatically controlled motional states of a ground-state cooled CaO$^{+}$ and Ca$^{+}$ trapped ion chain
本研究针对囚禁分子离子外部自由度调控需求，利用共囚禁Ca⁺协同边带冷却实现CaO⁺轴向运动模近基态冷却，验证绝热调谐模式频率时声子态可保持，为分子偶极-声子相互作用研究奠定基础。
2022-12-09 physics.atom-ph quant-ph
Laser Scheme for Doppler Cooling of the Hydroxyl Cation (OH$^+$)
本文提出一种针对OH$^+$离子的多普勒冷却激光循环方案，利用电子基态与激发三重态跃迁，无需协同冷却，可制备纯净冷分子离子样品，并表明激光冷却适用分子范围比预期更广。
2023-08-28 physics.atm-clus physics.atom-ph physics.chem-ph
Rotational state changes in collisions of diatomic molecular ions with atomic ions
Universität Kassel（卡塞尔大学）；Universidad Autónoma de San Luis Potosí（圣路易斯波托西自治大学）；Aarhus University（奥胡斯大学）；Freie Universität Berlin（柏林自由大学）
研究双原子分子离子与原子离子碰撞中旋转态变化的机制，通过数值模拟和解析近似，推导出碰撞能量和分子参数对旋转激发的影响，为分子离子的激光冷却提供理论基础。
2026-01-15 physics.atom-ph quant-ph
Unresolved sideband photon recoil spectroscopy of molecular ions
我们反映了利用与光子的吸收和发射相关的反冲来执行单个分子离子的光谱学的前景。为了使这种反冲可以被检测到，分子离子被激光冷却的原子离子同情地冷却到它们在捕获势内的共同量子力学基态附近。更具体地说，我们提出了一个一般的框架，用于模拟预期的光子反冲光谱的制度，无论是自然过渡线宽$Γ_t$的分子离子或光谱宽度$Γ_L$的激发光源超过运动频率的两个离子系统。为了验证这个框架，我们提出两个互补的案例：3s $^2$ S $_{1/2}$ -3 p $^2$ P $_{3/2}$宽电子跃迁光谱通过窄激光源在$λ=279.6$ nm处的单个$^{24}$ Mg $^+$离子的（$Γ_t/2π= 41.8$ MHz）（$Γ_L/2π\lesssim 1$ MHz）和非常窄的$|v=0,J=1\rangle$ - $|v'=1,J'=0\rangle$跃迁的中红外振动光谱通过宽带激光源（$Γ_L/2π\gtrsim$ 50 MHz）在$^{24}$ MgH $^+$的$^1Σ^+$电子基态中的$λ=6.17$ $μ$ m处的（$Γ_t/2π= 2.50 $ Hz）。原子离子$^{24}$ Mg $^+$已被选中引入一个简单的系统，使实验结果进行比较，同时仍然捕捉大部分的物理参与电子激发的分子离子。
2022-02-10 physics.atom-ph physics.chem-ph quant-ph
Sympathetic rotational cooling of large trapped molecular ions
Freie Universität Berlin（柏林自由大学）
通过协同旋转冷却技术，实现对分子离子旋转态的高效冷却，为量子信息处理和高精度光谱学提供新的可能性。
2026-02-03 physics.atom-ph physics.chem-ph quant-ph
