Quantum-enhanced sensing of displacements and electric fields with large trapped-ion crystals
将超冷原子系统的隔离和控制发展到单量子的水平已经导致了量子传感的重大进展，但是通过利用纠缠在现实世界的应用中展示量子优势仍然是一项核心任务。在这里，我们实现了一个多体量子增强传感器检测微弱的位移和电场使用大晶体的$\sim 150$捕获的离子。晶体的质心振动模式作为高Q机械振荡器，集体电子自旋作为测量装置。通过在施加位移之前纠缠振子和集体自旋，并通过多体回波控制相干动力学，我们能够利用精细的自旋运动纠缠将位移映射到自旋旋转中，从而避免量子反作用并消除有害的热噪声。我们报告量子增强的灵敏度低于标准的量子极限和灵敏度测量电场的$240\pm10~\mathrm{nV}\mathrm{m}^{-1}$在$1$秒（$240~\mathrm{nV}\mathrm{m}^{-1}/\sqrt{\mathrm{Hz}}$）的$8.8 \pm 0.4~$ dB的位移。
2021-03-15 physics.atom-ph quant-ph
Excitation of a moving oscillator
本文计算了任意运动规律下具有移动中心的量子谐振子的相干态和Fock态之间的跃迁振幅和几率。这些量由移动中心加速度的傅里叶变换确定。在恒定加速度的情况下，概率随振荡器频率振荡，使得在每个周期之后不发生激励。谐波陷阱中心的振荡和旋转运动的例子也被认为是。估计表明，由于谐波陷阱中心的运动的振动态的激发的效果，可以观察到在现有的原子陷阱。
2021-01-12 quant-ph
Generation of a single ion large oscillator
我们证明了一个捕获的离子振荡器具有大的振荡幅度$16.9~{\rm μm}$的产生。向离子阱电极施加偏移电压有助于在5ns的时间尺度内实现阱中心的位移。分析了离子位移后的荧光动力学，以估计振荡幅度。实现的陷阱位移是一个数量级以上，在以前的工作中实现。因此，这一结果是实现使用单个捕获离子的陀螺仪的重要一步。
2021-03-30 physics.atom-ph quant-ph
Smooth bang-bang shortcuts to adiabaticity for atomic transport in a moving harmonic trap
为了在运动的谐波阱中有效地输运原子，通常使用Bang-bang控制来实现绝热性的最小时间捷径。然而，开关控制器的剧烈变化，导致高传输模式的激励和能量消耗，在现实的实验条件下变得不可行。为了避免这些问题，我们提出了光滑的bang-bang协议，接近最小的时间，通过设置物理约束的相对位移，速度和加速度之间的质量中心的原子和陷阱中心。我们采用庞特里亚金的最大值原理，获得了近时间最小控制的光滑bang-bang协议的解析解。更重要的是，它被发现的能量激发和晃动幅度显着减少的操作时间为代价。我们还提出了一种多重打靶法的自洽数值分析。最后，将该方法应用于其他任务，例如，能量最小化，其中获得光滑的分析形式是复杂的。
2020-06-23 quant-ph
Shortcuts to adiabaticity by counterdiabatic driving for trapped-ion displacement in phase space
绝热协议在量子技术中的应用受到噪声和退相干环境源的严重限制。通过反绝热驱动的绝热性捷径构成了一个强大的替代方案，它在模拟绝热动力学的同时加快了时间演化。在这里，我们提出了在连续变量系统中的反绝热驱动的第一个实验实施，一个捷径的绝热运输的被困离子在相空间中。由此产生的动力学相当于绝热轨迹的“快速运动视频”。该协议的鲁棒性优于基于经典局部控制和傅立叶优化方法的竞争计划。我们的研究结果表明，绝热性的捷径提供了一个强大的加速量子协议的量子技术的广泛适用性。
2019-07-11 physics.atom-ph quant-ph
Scalable Ion Trap Quantum Computing without Moving Ions
研究了一种混合量子计算方案，其中混合量子比特由作为信息存储器的离子阱量子比特和作为量子处理器的固态电荷量子比特组成，通过超导腔连接。在本文中，我们扩展了我们以前的工作[1]，并研究了混合系统的退相干，耦合和可扩展性。本文计算了在激光辐射下，由于固体系统中电荷涨落和超导腔的耗散引起的离子-电荷耦合系统的退相干。设计了一种利用电荷量子比特的快速状态翻转来减少电荷噪声引起的退相干的门方案。我们还研究了一种超导开关，它被插入在腔和电荷量子比特之间，并提供量子比特之间的可调谐耦合。混合计划的可扩展性进行了讨论，在实现该计划的几个潜在的实验障碍。
2004-12-23 quant-ph
Simulating nonlinear spin models in an ion trap
我们展示了如何被困离子的振动模式的条件位移可以用来模拟非线性集体和相互作用的自旋系统，包括非线性陀螺和伊辛模型（一个通用的两个量子位门），独立的离子的振动状态。因此，只要加热速率不太大，冷却到振动基态是不必要的。
1999-08-12 quant-ph
Cavity-mediated collective laser-cooling of a non-interacting atomic gas inside an asymmetric trap to very low temperatures
在本文中，我们确定了一个多粒子声子期望值$ζ$的能力，诱导集体动力学的非相互作用的原子气体内的光学腔。然后，我们建议利用这个期望值，以提高激光冷却的许多原子通过一个循环的两阶段的过程，其中包括冷却和位移阶段。在冷却阶段，应用短激光脉冲。这些使用$ζ$作为资源，并将原子气体的振动能量降低固定量。随后的位移阶段利用捕获势的不对称性来补充多粒子声子期望值$ζ$。交替两个阶段的冷却过程中示出的原子气体转移到最终的温度消失在无限多的粒子限制。
2017-11-22 quant-ph
Optimal trajectories for efficient atomic transport without final excitation
本文将基于Lewis-Riesenfeld不变量的逆工程技术与最优控制理论相结合，设计了无末级激发的最优谐波阱轨道。由于实际的陷阱不是真正的谐波，我们保持质心和陷阱中心之间的相对位移有界。在此约束下，根据不同的物理准则，找到最优协议。最小时间解具有“bang-bang”形式，最小位移解具有“bang-off-bang”形式。最后讨论了使暂态能量最小的最优轨迹。
2011-08-08 quant-ph
Zeptometer displacement sensing using a superconducting nonlinear interferometer
我们提出了一种在微波频率下工作的超导非线性干涉仪的设计，它允许测量光学非线性η，其精度优于Heisenberg类极限，δη类似于R^{-3/2}，其中R是资源的量化。通过将非线性光学元件设计成具有物理运动部件，我们能够使用超导非线性干涉仪来测量运动部件的物理位移r1，空间精度为δ（rt）在10^{-21}m/Hz的数量级
2011-03-22 cond-mat.mes-hall quant-ph
Inverse engineering for fast transport and spin control of spin-orbit-coupled Bose-Einstein condensates in moving harmonic traps
研究了可调谐自旋轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体在运动简谐势阱中的快速输运和自旋操纵。受“绝热性捷径”概念的启发，我们反设计了与时间相关的陷阱位置和自旋轨道耦合强度。通过选择适当的边界条件，我们同时得到了快速输运和自旋翻转。通过数值算例说明了非绝热输运和相应的自旋动力学，并与具有恒定自旋轨道耦合强度和速度的绝热输运进行了比较。此外，原子间相互作用引起的非线性的影响进行了讨论的Gross-Pitaevskii方法，所提出的协议的鲁棒性。这些实验结果为谐波阱中自旋-轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体的相干控制奠定了基础。
2018-01-09 cond-mat.quant-gas quant-ph
Moving mirror-field dynamics under intrinsic decoherence
本研究利用内禀退相干方案，通过位移算子分解哈密顿量求解米尔本方程，揭示了镜场相互作用的衰减动力学，并展示了期望值、关联及Husimi函数。
2023-05-06 quant-ph
Optimal Displacement Sensing with Spin-Dependent Squeezed States
University of Amsterdam（阿姆斯特丹大学）；QuSoft；University of Sydney（悉尼大学）；Sydney Nano Institute, University of Sydney（悉尼大学悉尼纳米研究所）；Indian Institute of Technology Madras（马德拉斯印度理工学院）；Center for Quantum Information, Communication and Computing, Indian Institute of Technology Madras（马德拉斯印度理工学院量子信息、通信与计算中心）
提出使用自旋依赖压缩态实现多体位移传感，证明其量子Cramér-Rao界达到海森堡极限，并给出可扩展的制备方案和实验实现。
2026-07-01 quant-ph
Quantum particles in a suddenly moving localized potential
我们研究了当囚禁势突然开始以恒定速度运动时，被囚禁在定域势中的量子粒子的行为。在一维中，我们已经复制了Granot和Marchewka，参考\cite{Granot09}，一个有吸引力的δ函数，使用的方法的基础上的频谱分解，而不是传播的结果。我们还考虑了Pöschl-Teller势和简谐振子势（一维）以及氢原子（三维）的情况。在最后一种情况下，我们明确地计算了由于突然运动而对氢原子电离几率的主要贡献。
2019-09-26 quant-ph
Robust Mølmer-Sørensen Gate Against Symmetric and Asymmetric Errors
针对囚禁离子 Mølmer-Sørensen 门的对称与非对称误差，提出结合位移最小化、切空间解析校正和补偿脉冲的鲁棒方案，显著降低纠缠门非保真度。
2025-01-06 quant-ph
A scheme for quantum-logic based transfer of accuracy in polarizability measurement for trapped ions using a moving optical lattice
针对囚禁离子光原子钟受黑体辐射影响产生钟跃迁频移、现有极化率测量受激光功率校准精度限制的问题，提出基于量子逻辑的极化率测量精度转移方案，无需高精度激光功率校准，还可参照类氢离子实现高精度极化率转移。
2024-01-16 physics.atom-ph quant-ph
The theory of heating of the quantum ground state of trapped ions
利用位移算符理论，分析了囚禁离子振动基态的减布居。发现了两个加热时间，一个表征短时间行为，另一个表征长时间行为，分析了单离子和多离子的短时间行为，导出了不同模式的相对加热率公式。考虑了通过量子芝诺效应校正加热的可能性，以及利用抑制高次模加热来减少量子计算中的误差。
1998-04-20 quant-ph
Energy and condensate dynamics of a Bose-Einstein condensate excited by a moving red laser potential inside a power law trap cutoff by box potential hard walls
本文研究了在运动的红失谐激光势（RDLP）激发下二维囚禁的玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）的能量动力学。该陷阱是由硬壁盒势（HWBP）截止的幂律（PL）势的组合。通过对HWBP边界内能量的限制性测量，发现HWBP边界内的能量存在孤子振荡。然后证明，PL势的几何形状影响这些振荡的寿命，即，HWBP中随后产生的孤子的寿命。我们认为，在这种设置中的能量动态是一个很好的工具，用于测量其寿命。它还发现，冷凝物密度动态显示的幅度和顺序的RDLP的速度控制的振荡模式。在化学势动力学振荡的连接也进行了讨论。从本质上讲，我们建议未来的实验，这种设置，这将测量声子能量动态跟踪孤子的寿命。
2021-07-24 cond-mat.quant-gas quant-ph
Measurement of Arbitrary Observables of a Trapped Ion
我们描述了一种方法来执行一个单一的量子测量的任意可观察到的一个单一的离子运动的谐波势。我们说明了明确的例子，即位置和相位可观的测量过程。
1996-06-24 quant-ph
The most probable wave function of a single free moving particle
我们发展了一个自由量子粒子的最可几波函数，它的动量和能量通过施加量子概率密度来最大化香农信息熵。我们证明了存在一类解，其中量子概率密度是自陷的，具有有限尺寸的空间支撑，均匀移动，因此保持其形式不变。
2009-07-24 quant-ph
Coherently displaced oscillator quantum states of a single trapped atom
通过激光诱导的运动边带相互作用，简谐束缚离子的相干位移谐振子数态可以耦合到离子的两个内部态。内部状态随后可以通过状态相关荧光在投影测量中读出，具有近单位保真度。这导致了丰富的一组线的形状时，记录边带激发后的内部状态的激发概率，作为位移驱动相对于离子的运动频率的频率失谐的函数。我们精确地表征的相干位移的基础上产生的线的形状，表现出尖锐的功能，是有用的振荡器频率确定从单量子制度到非常大的相干态，平均占用数为几百。我们还介绍了一种基于多个相干位移和自由进动的技术，用于表征在500 Hz至400 kHz的频率范围内的陷阱电位上的噪声。来自离子的信号被直接用于发现和消除光谱中通常无法访问的部分中的技术噪声源。
2018-11-01 physics.atom-ph quant-ph
Electric Field Distortions in Surface Ion Traps with Integrated Nanophotonics
Physikalisch-Technische Bundesanstalt（德国联邦物理技术研究院）；Institut für Quantenoptik, Leibniz Universität Hannover（汉诺威莱布尼茨大学量子光学研究所）
本文通过有限元模拟研究集成波导和光栅耦合器的表面离子阱中的电场畸变，并提出利用对称性和透明导电氧化物材料来减少畸变的方法。
2026-06-19 quant-ph
Qubit-Controlled Displacements in Markovian Environments
我们研究了量子比特与量子谐振子之间的一种特殊形式的相互作用哈密顿量，其封闭系统动力学导致量子比特控制的位移操作。我们展示了这种相互作用是如何在许多设置中实现的，包括纳米机械系统，离子阱，腔QED和电路QED，并在每种情况下，我们提供了相关参数的定量估计。系统的动力学研究通过主方程，包括典型的退相干机制所产生的量子比特和振荡器的耦合到热马尔可夫环境。我们将展示如何通过采用振荡器的相空间表示来求解主方程，并推导出许多特殊情况下的解析解和近似解。最后，通过研究量子比特-振子纠缠的动力学和具有负Wigner函数的振子态的制备，将我们的方法应用到一个相关的例子中。
2012-09-15 quant-ph
Observation of a non-equilibrium steady state of cold atoms in a moving optical lattice
利用原子共振荧光光谱研究了运动光晶格中原子的非平衡动力学。在相位稳定的磁光阱（MOT）中产生三维光晶格，并通过在反向传播的阱激光器之间引入失谐来使晶格移动。然后在运动的光晶格和周围的MOT的混合体中建立了原子的非平衡稳态。一部分原子在运动的光晶格中局域和输运，另一部分原子在MOT中作为冷气体被捕获而不局域在晶格中。这些运动状态共存，它们之间的连续过渡。随着晶格速度的增加，由于在晶格势的局部最小值处存在束缚态，非定域态的布居以逐步的方式增加。为了解释实验结果，引入了一个确定性的速率方程模型来描述这些运动态中的原子布居。然后，模型计算很好地再现了实验观察的关键特征，证实了冷原子系统中存在NESS。
2017-12-13 physics.atom-ph quant-ph
Direct characteristic-function tomography of quantum states of the trapped-ion motional oscillator
实现了囚禁钙离子运动振荡量子态对称特征函数的直接读出。使用适当选择的内部电子状态相关的位移双色激光场的基础上，我们映射的位移算子的实部或虚部的期望值的内部状态，随后使用荧光检测读出。结合两个读出结果提供了关于对称特征函数的全部信息。我们通过将其应用于一系列原型量子振子态，包括位移和压缩高斯态以及在连续变量量子计算中应用的位移压缩态的两个和三个分量的叠加，来表征该技术的性能。对于每一个，我们讨论的特征函数和维格纳相空间准概率分布的相关功能。使用减少的测量次数直接重建这些高度非经典的振荡器状态是理解和优化这些系统的控制用于量子传感和量子信息应用的必要工具。
2019-07-15 physics.atom-ph quant-ph
High stability cryogenic system for quantum computing with compact packaged ion traps
低温环境通过提供较低的运动加热速率、碰撞能量和超高真空（UHV）环境以维持长离子链延长的时间段而有益于离子捕获实验。由闭合循环低温恒温器中的压缩机引起的机械振动可以在离子和用于操纵离子的激光器的波前之间引入相对运动。在这里，我们提出了一种新的离子捕获系统，其中商业低振动闭合循环低温恒温器用于定制的单片外壳。我们测量机械振动的样品台使用的光学干涉仪，并观察到均方根相对位移为2.4 nm和17 nm之间的自由空间光束和捕获位置的峰-峰位移。我们将表面离子阱封装在一个低温封装组件中，使其易于处理，同时为离子创造一个UHV环境。阱低温封装包含用于在捕获位置附近增强吸附泵送的活性碳吸气剂材料和用于烧蚀加载的源材料。使用$^{171}$ Yb $^{+}$作为我们的离子，我们估计作为封装温度的函数使用相变的锯齿形离子链作为探针的陷阱的工作压力。我们测量到单个离子的径向模式加热速率平均为13量子/秒。使用355 nm锁模脉冲激光器，Ramsey相干测量产生330 ms的相干时间用于反向传播拉曼载波跃迁，证明了高的光学稳定性。
2021-08-12 physics.atom-ph quant-ph
Mass-energy equivalence in harmonically trapped particles
精确理解被困粒子的动力学对于新生的量子技术至关重要，包括原子钟和量子模拟器。在这里，我们提出了一个框架，系统地包括量子效应所产生的质量，能量等效的谐波捕获系统。我们发现质能等效导致了与不同内能相关的谐振模的压缩、位移和频率的变化。该框架预测了新现象，特别是由于引力效应和所谓的时间膨胀位移之间的相互作用而产生的原子钟分数频移下限的存在。类似的效应也会出现在其他的俘获势中，特别是在周期晶格中，并且可能在多体系统和冷气体中的关联动力学和热化过程中发挥作用。
2019-06-10 cond-mat.quant-gas quant-ph
Control of quantum transmission is trap free
我们考虑操纵的透射系数的量子粒子在一维运动的势的形状作为控制。我们表明，控制景观-传输作为一个功能的潜力-没有陷阱，即，任何最大值对应于完全透射。
2014-03-22 math-ph math.MP quant-ph
Dynamics of atoms in a time-orbiting-potential trap: consequences of the classical description
为了研究绝热近似假设的失效与磁阱物理参数之间的关系，求解了描述原子在磁阱中运动的经典模型。这允许评估的效果，反转的偏置场旋转产生的原子轨道的垂直位置上，位移是密切相关的陷阱运动的绝热字符。本研究的动机是以前在实际磁时间轨道势阱中进行的类似实验测试。我们发现经典模型提供的非绝热效应是非常小的。因此，我们的结论是，实验测量的理论解释，需要在磁陷阱的动力学的量子描述。
2010-04-28 cond-mat.quant-gas nlin.CD quant-ph
