Disentangling phonons from spins in ion-trap-based quantum spin simulators
我们计算了声子的产生如何影响量子自旋动力学的保真度在囚禁离子模拟器。严格的量子动力学的治疗是通过采用一个精确的运营商因式分解的演化运营商。虽然人们通常认为声子的产生改变了自旋演化的动力学，但对于外磁场中的伊辛自旋-自旋相互作用，声子对在伊辛模型轴方向上测量的自旋产物态的概率具有\textit{no effect}。声子在影响海森堡或XY模型自旋模拟器或其他可观测量（如伊辛模型中的见证算符）的有效自旋动力学方面起着更重要的作用。
2010-03-30 cond-mat.quant-gas quant-ph
Tomography-assisted noisy quantum circuit simulator using matrix product density operators
本研究利用量子过程层析成像（QPT）技术捕获真实NISQ设备的复杂噪声特性，并将其集成到矩阵乘积密度算子（MPDO）模拟器中，以更准确地评估噪声对量子算法的影响。
2025-08-11 quant-ph
Detecting Complex-Energy Braiding Topology in a Dissipative Atomic Simulator with Transformer-Based Geometric Tomography
Shanxi University（山西大学）
本文提出基于Transformer的机器学习框架，用于探测非厄密系统中复杂能级编织拓扑，通过耗散冷原子模拟器验证了该方法在拓扑不变量预测和带交叉识别中的有效性。
2026-03-26 cond-mat.quant-gas quant-ph
Quantum simulator for many-body electron-electron Coulomb interaction with ion traps
我们提出了一个模拟量子模拟器，使用离子陷阱来实现多体电子-电子库仑相互作用的电子气。该提案将一个难以解决和控制的系统映射到可以用当前技术实现的实验可行的设置。使用膨胀变换，我们表明，离子陷阱可以有效地模拟电子库仑相互作用。如果只需要能量谱，则不增加复杂度开销，否则仅需要对初始状态进行简单的酉变换。模拟的运行时间被发现是远远短于相应的电子系统的时间尺度，最大限度地减少所提出的量子模拟器对外部噪声和退相干的敏感性。这个提议适用于任何数量的维度，并且可以通过使用被捕获在蜂窝晶格中的离子来模拟石墨烯类结构中的电子的不同拓扑相。
2015-12-16 cond-mat.quant-gas quant-ph
Robust, self-consistent, closed-form tomography of quantum logic gates on a trapped ion qubit
我们介绍并实验证明：（1）一个称为“门集层析成像”（GST）的框架，用于自洽地表征黑盒量子器件上的整个量子逻辑门集;（2）一个显式的线性反转门集层析成像（LGST）的封闭形式协议，其可靠性与诸如局部极大似然值等病理无关;以及（3）一种简单的协议，用于在不参考目标门的情况下，基于其预测一组测试实验的良好程度，客观地对断层摄影估计的准确性进行评分。我们使用门集层析术来表征单个捕获离子量子比特上的一组Clifford生成门，并比较（i）标准过程层析术;（ii）线性门集层析术;和（iii）极大似然门集层析术的性能。
2013-10-16 quant-ph
Symplectic Tomography of Nonclassical States of Trapped Ion
研究了囚禁离子的两类非经典态--压缩关联态和压缩奇偶相干态（压缩薛定谔猫态）的压缩旋转积分的边缘分布.所得到的两类态的边缘分布满足经典动力学方程，该方程等价于辛层析方案中导出的密度矩阵（波函数）的标准量子演化方程.
1996-04-21 quant-ph
A proposal for a scalable universal bosonic simulator using individually trapped ions
我们描述了一种可能的架构，实现一个通用的玻色子模拟器（UBS）使用捕获的离子。单个离子被限制在单独的陷阱中，它们的运动状态代表玻色子模式。单模线性算子，非线性相移，线性分束器可以通过精确控制的陷阱势实现。玻色子模拟中的所有过程，除了初始化和读出之外，都可以在Lamb-Dicke区域之外进行。我们的建议的方面也可以应用到分裂的一对离子在一个单一的陷阱。
2012-05-08 quant-ph
Dual trapped-ion quantum simulators: an alternative route towards exotic quantum magnets
利用不同自旋模型之间的对偶关系，提出了一种对离子阱中奇异量子磁性进行量子模拟的方法。我们的策略允许一个可以实现与当前的技术从哈密顿开始，而一个异国情调的对偶模型的属性推断从测量的非本地的，字符串顺序，运营商。后者可以通过荧光或某些光谱测量来实现，这两者都可以通过控制双量子模拟器中的离子数量与有限尺寸标度相结合。我们应用这个概念提出了受抑量子磁体的量子模拟器，以及具有多自旋相互作用的伊辛模型。我们测试的有效性的想法，通过数值计算表明，一个理想的双量子模拟器的预测不定性修改的相关扰动，自然发生在捕获离子的情况。
2015-11-13 cond-mat.quant-gas physics.atom-ph quant-ph
Sympathetic Wigner function tomography of a dark trapped ion
提供了一种通过对同一阱中另一离子的荧光检测来重建被捕获离子运动状态的维格纳函数的协议。这种“交感神经断层扫描”的暗离子没有适合于状态测量的光学转换是基于其运动状态到离子对的集体模式之一的映射。该振动本征模的量子态随后通过亮离子的边带激发来测量。导出了实现所需状态转移和读出的物理过程，并对不同质量比的方案的实现进行了评估。
2011-10-21 quant-ph
Process tomography of dynamical decoupling in a dense optically trapped atomic ensemble
原子系综在量子信息科学中有许多潜在的应用。由于集体增强，在高密度下使用系综增加了量子操作的整体效率，但同时也增加了碰撞率并导致更快的退相干。在这里，我们报告的实验与光学捕获的87 Rb原子演示了20倍的相干时间增加时，应用动态去耦序列与超过200 π脉冲。我们进行量子过程层析成像，并表明，使用去耦方案的光学深度为230的密集系综可以用作原子存储器的相干时间超过3秒。
2010-04-07 cond-mat.quant-gas physics.atm-clus quant-ph
Embedding Quantum Simulators for Quantum Computation of Entanglement
我们引入了嵌入量子模拟器的概念，这是一种允许对一类二分和多分纠缠单调进行有效量子计算的范例。它包括在嵌入量子模拟器的扩大的希尔伯特空间中对模拟的量子动力学进行适当的编码。通过这种方式，纠缠单调被方便地映射到物理观测值上，克服了完全层析成像的必要性，并大大降低了实验要求。此外，该方法直接适用于纯态，并在经典算法的辅助下，混合态的情况下。最后，我们期望所提出的嵌入框架为增强的一对一量子模拟器的一般理论铺平道路。
2013-12-13 cond-mat.mes-hall cond-mat.quant-gas cond-mat.supr-con
Probing Complex-energy Topology via Non-Hermitian Absorption Spectroscopy in a Trapped Ion Simulator
该研究在单个囚禁离子中实现两能带非厄米模型，并利用非厄米吸收光谱测量复本征能量，直接揭示unlink、unknot与Hopf link拓扑结构。
2023-03-27 cond-mat.mes-hall cond-mat.quant-gas quant-ph
Symplectic Tomography of Schrodinger Cat States of a Trapped Ion
研究了囚禁离子的两类非经典态--压缩关联态和压缩奇偶相干态（压缩薛定谔猫态）的压缩、旋转和平移模场的边缘分布。
2019-03-05 quant-ph
Process tomography of ion trap quantum gates
利用俘获离子进行量子信息处理的关键构件是受控非量子门。在本文中，两个不同的序列的激光脉冲实现这样的门操作进行了分析，使用量子过程层析成像。单门操作的保真度高达92.6（6）%，两个级联门操作的保真度高达83.4（8）%。通过过程层析成像，我们评估了不同的实验实现的门的性能，并证明了振幅整形激光脉冲的优势，简单的方形脉冲。我们还研究了级联门的性能是否可以从单门的分析中推断出来。
2006-09-29 quant-ph
Gaussian tomography for cold-atom simulators
TUM School of Natural Sciences, Technical University of Munich（慕尼黑工业大学自然科学学院）；IQM Quantum Computers（IQM量子计算机公司）；Department of Mathematical Sciences, University of Copenhagen（哥本哈根大学数学科学系）
针对冷原子模拟器读出局限于电荷基对角可观测量的问题，提出利用随机时间的非相互作用动力学结合量子气体显微镜测量电荷非对角关联（如电流），无需局部控制，数值上以少于4000个样本实现局部电流5%误差测量，为现有平台精密测量铺路。
2025-10-27 cond-mat.quant-gas quant-ph
Quantum information scrambling in a trapped-ion quantum simulator with tunable range interactions
在各态历经的多体量子系统中，局域编码的量子信息在时间演化的过程中变得不可接近于局域测量。这种“混乱”的概念目前引起了强烈的研究兴趣，需要深入了解多体动力学，如混沌和热化过程。在这里，我们提出了第一个实验演示的量子信息扰乱10量子比特的陷阱离子量子模拟器代表一个可调的远程相互作用的自旋系统，通过估计出的时间有序的扰动（OTOC）通过随机测量。我们还分析了退相干在我们的系统中的作用，通过比较我们的测量数值模拟和测量雷尼纠缠熵。
2020-08-31 cond-mat.dis-nn cond-mat.quant-gas quant-ph
Rabi Lattice models with discrete gauge symmetry: phase diagram and implementation in trapped ion quantum simulators
我们研究的自旋玻色子链，表现出局部Z2对称性。利用微扰理论、平均场论和密度矩阵重整化群方法研究了该模型的量子相图。我们的计算表明，在玻色子量子动力学慢于自旋-自旋相互作用的区域存在一级相变。我们的模型可以用俘获离子量子模拟器来实现，从而实现显示局部规范不变性和一阶相变的极小模型。
2015-03-16 physics.atom-ph quant-ph
Boundary scattering tomography of the Bose Hubbard model on general graphs
针对仅能访问边界测量的量子模拟器，提出一种利用边界透射与双光子关联函数提取Bose-Hubbard哈密顿量参数的层析成像方案，并结合量子增强光谱学协议实现超越标准量子极限的参数感知。
2023-10-22 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Interaction graph engineering in trapped-ion quantum simulators with global drives
该研究针对囚禁离子量子模拟器，拓展并界定了仅用全局驱动场可实现的自旋-自旋相互作用类别，提出两种实现高保真新型相互作用图的方法及严格检验手段，拓宽了其在材料科学和量子化学领域的应用。
2023-10-11 quant-ph
Intrinsic anharmonic effects on the phonon frequencies and effective spin-spin interactions in a quantum simulator made from trapped ions in a linear Paul trap
线性Paul阱中离子间的库仑排斥作用使势能在平衡位置附近展开时产生非谐项。我们研究这些非谐项的量子模拟器的准确性从被困离子的效果。具体地说，我们考虑线性链的$\text{Yb}^{171+}$离子稳定接近之字形过渡。我们发现，对于典型的实验温度，频率的变化不超过一个因素的$0.01\%$由于非谐耦合。此外，在有效的自旋-自旋相互作用（由自旋相关的光偶极力驱动）的偏移也往往是小的失谐到蓝色的横向质心频率。然而，失谐的自旋相互作用附近的其他频率可以导致不可忽略的非谐贡献的有效自旋-自旋相互作用。我们还研究了一个奇怪的行为所表现出的谐波自旋-自旋相互作用的范围内的中间失谐，其中最近的邻居自旋与离子链上的一个较大的空间分离的相互作用比最近的邻居与一个较小的空间分离更强烈。
2014-06-20 cond-mat.quant-gas physics.atom-ph quant-ph
Quantum Quenches from the Critical Point: Theory and Experimental Validation in a Trapped-Ion Quantum Simulator
本文在囚禁离子量子模拟器中研究从临界点出发的量子淬火，通过缺陷数累积量的淬火深度普适标度验证了非平衡量子临界动力学的理论预言。
2025-07-01 quant-ph
Heat flow reversal in a trapped-ion simulator
我们提出了一个囚禁离子平台来模拟与量子热力学过程相关的可重构自旋-自旋哈密顿量。从一个实验模型描述两个被困离子下轻微偏离共振的第一边带驱动单独控制的驱动相位，我们遵循操作量子光学方法，以表明它产生一个有效的模型出现在最近的量子热力学建议。我们表明，投影到振动基态流形允许充分的分析处理。作为一个实际的例子，我们采取的实验数据从$^{187}$ Yb $^{+}$陷阱和数值模拟的两个热自旋的量子关联控制之间的热流反转。
2020-02-26 quant-ph
Effect of defects on the phonons and the effective spin-spin interactions of an ultracold Penning trap quantum simulator
我们推广的正常模式的分析旋转离子库仑晶体中的潘宁陷阱，允许在系统中的不均匀性。我们的正式发展是完全一般的，但我们选择检查晶体的Be+离子与BeH+缺陷比较，与目前的实验努力。我们研究了经典的声子模式（横向和平面），我们确定了有效的自旋-自旋相互作用时，系统是由轴向自旋相关的光偶极力驱动。我们检查高达约15%缺陷的情况。我们发现，大多数属性并没有强烈的影响，由缺陷，表明存在少量的缺陷不会显着影响实验。
2013-09-10 cond-mat.quant-gas quant-ph
Observation of topological Euler insulators with a trapped-ion quantum simulator
对称性在物质拓扑相的分类中起着至关重要的作用。虽然最近的研究已经建立了一个强大的框架来搜索和分类的拓扑相位的对称性指标的基础上，存在着一个大类的脆弱拓扑超出了描述。描述二维实波函数拓扑的Euler类是一种典型的脆弱拓扑，它具有交叉结点的非阿贝尔编织和高阶拓扑等重要性质.然而，作为脆弱拓扑的最小模型，由三个带组成的二维拓扑欧拉绝缘体仍然是一个重大的挑战，在实验中实现。在这里，我们实验上实现了一个三带哈密顿量来模拟一个拓扑欧拉绝缘体与捕获离子量子模拟器。通过量子态层析，我们成功地计算了欧拉类、威尔逊圈流和纠缠谱，展示了哈密顿量的拓扑性质。我们还测量了最低能带的Berry相位，说明了欧拉类保护的四个交叉点的存在。被困离子量子模拟器的灵活性，进一步使我们能够探测动力学拓扑特征，包括skyrmion-antiskyrmion对和霍普夫链接的动量-时间空间从淬火动力学。我们的结果显示了量子模拟技术在研究奇异拓扑相方面的优势，为实验研究脆性拓扑相开辟了一条新的途径。
2022-01-23 cond-mat.mes-hall cond-mat.quant-gas physics.atom-ph
Engineering vibrationally-assisted energy transfer in a trapped-ion quantum simulator
众所周知，凝聚相中许多重要的化学和生物化学过程很难用数值模拟。通常，这种困难来自于模拟动力学的复杂性，所述动力学是由耦合到结构化介观浴而产生的，对于所述结构化介观浴，不存在时间尺度的分离并且统计处理失败。这种过程的一个主要例子是振动辅助电荷或能量转移。一个量子模拟器，能够实现感兴趣的系统的现实模型，可以提供洞察这些过程中的制度，数值处理失败。我们采取的第一步，这样的传输过程建模使用离子阱量子模拟器。通过实施一个极小模型，我们观察到的电子态的施主和受主离子之间的振动辅助能量输运通过耦合施主离子，其振动增强。我们调整我们的模拟器到几个参数制度，特别是在非微扰制度中经常发现的生化情况下，调查转移动力学。
2018-04-06 quant-ph
Observation of Supersymmetry and its Spontaneous Breaking in a Trapped Ion Quantum Simulator
超对称性（SUSY）有助于解决高能物理中的层次问题，并为统一引力与其他基本相互作用提供了一个自然的基础。虽然它是标准模型之外最有前途的理论框架之一，但它在自然界中的直接实验证据仍有待发现。在这里，我们报告的实验实现的超对称量子力学（SUSY QM）模型，减少的超对称量子场论研究其基本性质，使用捕获离子量子模拟器。我们证明了该模型中超对称性引起的能量简并和超对称性自发破缺。通过对自旋-声子耦合系统的部分量子态层析，我们明确地测量了玻色子态和费米子态的叠加，即简并基态的超荷。我们的工作表明，捕获离子量子模拟器作为一个经济而强大的平台，在一个单一的良好控制的系统中研究多功能的物理。
2022-05-30 quant-ph
Quantum chemistry calculations on a trapped-ion quantum simulator
量子-经典混合算法是量子信息处理器在从化学到物理和材料科学的广泛领域中的近期实际应用的有希望的候选者。我们报告这样的算法来解决量子化学问题的实验实施，使用基于捕获离子的数字量子模拟器。具体来说，我们实现了变分量子本征求解器算法来计算两个简单分子的分子基态能量，并通过实验证明和比较了使用多达四个量子比特的不同编码方法。此外，我们还讨论了测量噪声的影响以及缓解策略，并指出了专注于达到化学准确性的自适应实现的潜力，这可以作为多量子比特量子模拟器的跨平台基准。
2018-08-01 quant-ph
A versatile quantum simulator for coupled oscillators using a 1D chain of atoms trapped near an optical nanofiber
纳米光子光波导的横向受限传播模式可以有效地调解无限程力。我们表明，对于一个线性链的粒子被困在波导的倏逝场，横向照明与一组合适的激光频率应该允许实现耦合振荡器量子模拟器与时间相关的和广泛可控的所有到所有的相互作用。在模拟库仑相互作用的振荡器的能谱的例子中，我们表明，不同的有效耦合几何形状可以通过适当选择的激光照射条件进行高精度的仿真。类似地，基本量子门可以在能量基础以及相干态基础中在任意选择的振荡器对之间选择性地实现。系统动态和状态的关键特性可以通过分析耦合输出的光纤场来连续监测。
2021-05-07 quant-ph
Programmable quantum simulations on a trapped-ions quantum simulator with a global drive
本文在小规模囚禁离子量子模拟器上利用均匀同时驱动所有量子比特的简单全局场，实现可编程自旋哈密顿量模拟，并通过量子伊辛环演化测量与参数重构验证其高保真、长演化优势。
2025-01-08 quant-ph
Intrinsic phonon effects on analog quantum simulators with ultracold trapped ions
线性Paul阱最近被用来模拟具有长程自旋-自旋耦合的横场伊辛模型。我们研究了声子产生（从初始声子基态）对自旋态几率和自旋纠缠的内在影响。虽然人们通常认为声子效应是良性的，因为它们在纯伊辛模型中不起作用，但当向模型中加入横向场时，它们可以发挥重要作用。我们利用系统的量子时间演化算符的多体因式分解、绝热微扰理论和截断自旋-声子希尔伯特空间中薛定谔方程的精确数值积分以及声子自由度的追踪来研究这个问题。我们发现，适度的声子产生往往使不同自旋态的几率表现出与静态自旋哈密顿量不同的行为。在声子产生较小的情况下，自旋动力学状态概率收敛到静态自旋哈密顿预测，代价是减少自旋纠缠。我们展示了声子的产生如何严重阻碍了在受挫自旋系统中观察到的扭结转变时，离子的数量增加。我们的许多结果也对Penning阱中的量子模拟有意义。
2012-09-13 cond-mat.quant-gas quant-ph
Phonon mediated quantum spin simulator employing a planar ionic crystal in a Penning trap
我们推导了在Penning阱中旋转库仑离子晶体的简正模，计算了运动自由度，并说明了它们如何在自旋相关的光偶极力的驱动下在具有数百个自旋的三角形晶格上产生量子自旋模拟器。对轴向模式（垂直于二维晶面的振荡）的分析遵循标准的简正模式分析，而其余的平面模式分析起来更复杂，因为它们在旋转框架中具有速度依赖性力。在将正常模式量子化为声子之后，我们说明了一些不同的自旋-自旋相互作用，这些相互作用可以通过自旋依赖的光学偶极力将运动自由度与自旋自由度纠缠而产生。除了众所周知的幂律依赖的自旋-自旋相互作用时，驱动轴向模式的声子带的蓝色，我们注意到某些参数制度，其中自旋之间的挫折水平可以通过驱动轴向或平面声子模式在不同的能量工程。这些系统可以允许具有大量自旋的量子自旋玻璃的模拟仿真。
2012-11-12 cond-mat.quant-gas quant-ph
Chiral spin currents in a trapped-ion quantum simulator using Floquet engineering
拓扑保护量子态最典型的成分是磁通量。在自旋系统中，如果复值相互作用参数的相位沿闭合回路加起来不为零，则它们会产生通量。在这里，我们应用周期性驱动，量子工程的一个强大的工具，捕获离子量子模拟器，以产生这样的自旋-自旋相互作用。我们考虑一个简单的驱动方案，由一系列重复的局部淬火场，并证明了这种方法的可行性，通过研究一个小系统的动力学。手征自旋流的出现是磁通量的一个标志，在实验中可以得到。引人注目的是，我们发现，在参数制度，在没有通量，声子激发显着降低自旋模型模拟的保真度，自旋动力学仍然广泛不受声子通量时存在。
2017-08-06 quant-ph
Many-Body Dephasing in a Trapped-Ion Quantum Simulator
封闭的相互作用量子多体系统如何作为时间的函数弛豫和退相是热力学和统计物理中的一个基本问题。在这项工作中，我们分析和观察持续的时间波动后，量子淬火的可调谐远程相互作用横向场伊辛哈密顿实现与囚禁离子量子模拟器。我们测量了自旋$1/2$粒子的有限尺寸系统的平均磁化强度的时间涨落。我们的实验在一个制度，系统的属性是密切相关的可积哈密顿与全球自旋-自旋耦合，这使得分析预测，即使是长时间的不可积动力学。的时间波动的解析表达式预测的时间波动的指数抑制随着系统的大小。我们的测量数据是一致的，我们的理论预测制度的多体退相。
2020-08-24 cond-mat.quant-gas cond-mat.stat-mech cond-mat.str-el
Programmable Polaron Models and Tomography in Trapped-Ion Quantum Simulators
Institute for Theoretical Physics, ETH Zürich（苏黎世联邦理工学院理论物理研究所）；IBM Quantum, IBM Research – Zurich（IBM量子，IBM苏黎世研究中心）；Department of Physics and Astronomy and Smalley-Curl Institute, Rice University（莱斯大学天体物理学与天文系及Smalley-Curl研究所）；California Institute of Technology（加州理工学院）
本文提出囚禁离子方案实现可编程自旋-声子哈密顿量，引入位移格林函数开展极化子光谱与层析成像研究，结合关联测量揭示耦合空间范围对极化子形成与迁移率的影响。
2026-10-15 cond-mat.quant-gas cond-mat.str-el quant-ph
Residual-Guided Global-Drive Design in Trapped-Ion Quantum Simulators
Shanghai Qi Zhi Institute（上海人工智能实验室）
针对囚禁离子量子模拟器中任意相互作用图设计的核心挑战，提出残差引导优化协议设计多频全局驱动频谱，可实现近线性缩放的激光频数收敛至理论极限，能合成多种耦合拓扑并降低误差，提升了模拟器的可编程能力。
2026-10-09 math.OC quant-ph
Trapped-Ion Quantum Simulator: Experimental Application to Nonlinear Interferometers
我们展示了如何实验实现的一组操作上一个单一的被困离子是足够的模拟一类广泛的哈密顿的自旋1/2粒子在外部的潜力。该系统还能够模拟其他物理动力学。作为演示，我们模拟了$n$阶非线性光学分束器的作用。这些分束器中的两个可以用于构造对干涉仪光束路径中的一个中的相移敏感的干涉仪。确定这些相移的灵敏度随$n$线性增加，并且模拟表明，与由线性分束器（$n$ =1）施加的标准量子限制相比，使用非线性分束器（$n$ = 2，3）增强了这种灵敏度。
2002-11-06 quant-ph
Measuring full counting statistics in a trapped-ion quantum simulator
本研究在囚禁离子量子模拟器中，借助经典阴影工具包后处理随机基矢测量结果，实现了子系统横向与纵向磁化强度的概率分布函数和全计数统计的测量，可高效获取扩展量子系统目标子系统任意算符的相关涨落信息。
2025-10-19 cond-mat.stat-mech quant-ph
Relativistic meson spectra on ion-trap quantum simulators
近年来，量子多体系统工程的实验进展迅速，这为通过数字或模拟量子模拟对基本物理问题进行受控研究开辟了道路。在这里，我们系统地分析了模拟离子阱的能力，探索相对论介子谱在当前的设备。我们主要讨论了由于横场伊辛模型临界点处的纵向扰动而引起的E_8量子场论体系。正如我们所示，通过精确的数值计算，足够强的长程抑制实验可访问的自旋链模型，吸收光谱允许识别的低洼介子激发具有良好的准确度，即使是小的系统尺寸。因此，我们的建议开辟了一条探索量子多体系统的显着特征，让人想起高能物理学中的介子属性。
2022-02-10 cond-mat.quant-gas cond-mat.str-el hep-ph
Correlated Pair Creation with Positive- and Negative-Frequency Oscillators in a Trapped-Ion Quantum Simulator
Rice University（莱斯大学）；California Institute of Technology（加州理工学院）
该研究在囚禁离子量子模拟器中，通过调控双模量子Rabi模型的频率符号，实现关联对产生，构建双模参量放大器并产生多种纠缠态，还提出了可在现有平台实现的方案。
2026-10-12 cond-mat.quant-gas physics.atom-ph quant-ph
Observation of Non-Markovian Spin Dynamics in a Jaynes-Cummings-Hubbard Model using a Trapped-Ion Quantum Simulator
Jaynes-Cummings-Hubbard（JCH）模型是研究光与物质相互作用的基本多体模型。作为量子模拟的领先平台，囚禁离子系统已经实现了两到三个离子的JCH模型。在这里，我们报告的量子模拟的JCH模型使用多达32个离子。我们验证了模拟结果，即使是大离子数的工程低激发，从而低的有效尺寸，然后我们扩展到32激发的有效尺寸的$2^{77}$，这是很难为经典的计算机。通过把声子模式作为浴，我们探讨了马尔可夫或非马尔可夫自旋动力学在不同的参数制度的JCH模型，类似于量子发射器在一个结构化的光子环境。我们进一步研究了非马尔可夫动力学对有效希尔伯特空间维数的依赖性。我们的工作证明了囚禁离子系统是多体物理和开放量子系统的一个强有力的量子模拟器。
2022-05-31 physics.atom-ph quant-ph
Quantum Approximate Optimization of the Long-Range Ising Model with a Trapped-Ion Quantum Simulator
量子计算机和模拟器可能比经典计算机和模拟器具有显着的优势，可以深入了解量子多体系统，并可能提高解决指数困难问题的性能，例如优化和可满足性。在这里，我们报告了使用模拟量子模拟器的低深度量子近似优化算法（QAOA）的实现。我们估计的横向场伊辛模型的基态能量与可调范围的远程相互作用，我们优化相应的组合经典问题，通过采样QAOA输出高保真，单次拍摄的个人量子比特测量。我们执行的算法与穷举搜索和闭环优化的变分参数，近似的基态能量与多达40个陷阱离子量子比特。我们基准的实验与引导启发式方法缩放多项式与系统的大小。我们观察到，在协议的数值，QAOA的性能不会显着降低，因为我们扩大系统的大小，并且运行时间是近似独立于量子位的数量。最后，我们给出了一个全面的分析，在我们的系统中发生的错误，在前进的道路上的QAOA更一般的问题实例的应用程序的关键一步。
2020-04-17 cond-mat.quant-gas cond-mat.str-el quant-ph
Freely configurable quantum simulator based on a two-dimensional array of individually trapped ions
定制和精确控制的量子系统可以提供对另一个不太容易访问的感兴趣系统的基本理解。通用量子计算机目前还遥不可及，但模拟量子模拟器可以使量子模型的相关可观测量、相互作用和状态变得可访问，从而可以通过实验深入了解传统计算机难以处理的复杂量子动力学。已经提出了几个平台，并进行了原理验证实验。在这里，我们描述了由射频场捕获的三个离子的二维阵列，这些离子在单独控制的谐波阱中形成边长为40和80微米的等边三角形。在我们的方法，这是可扩展到任意的二维晶格，我们展示了单独控制的电子和运动的自由度，准备一个基准的初始状态与离子运动接近的基态，以及调整实验序列内的离子之间的关键耦合。我们的工作为任意设计的二维系统的模拟量子模拟器铺平了道路。
2015-12-14 physics.atom-ph quant-ph
Entanglement Hamiltonian Tomography in Quantum Simulation
纠缠是量子多体物理的重要组成部分，在量子模拟器的封闭系统动力学中表征和量化纠缠是当今中尺度量子器件时代的一个突出挑战。在这里，我们讨论了一个有效的层析重建约化密度矩阵和纠缠自旋系统的光谱协议。关键的一步是一个参数化的约化密度矩阵的纠缠哈密顿量只涉及准本地少体条款。该分析适合于少量随机测量，并且可以独立验证。这种解释是由猝灭动力学中的共形场论和基态的Bisognano-Wichmann定理提出的。该协议不仅为量子模拟器中的这些理论提供了测试平台，而且还适用于这些制度之外。我们使用数值模拟的有效性和效率的协议的长距离伊辛模型在一维。此外，通过分析来自$10$和$20$离子量子模拟器的数据[Brydges \textit{et al.}，Science，2019]，我们展示了对猝灭动力学中纠缠谱演化的测量。
2020-10-06 quant-ph
Quantum process tomography of a Mølmer-Sørensen gate via a global beam
我们提出了一个框架的量子过程层析成像的两个离子的相互作用，利用调制的捕获电位和复合脉冲从全球激光束，以实现个人离子寻址。身份和延迟过程的层析成像分析揭示了层析成像实验过程中激光退相干和慢量子比特频率漂移的主要误差贡献。我们使用这个框架上的两个共同捕获的$^{40}$钙$^+$离子分析优化和一个压倒性的莫默-Sørensen门，并比较这种分析的结果，一个信息较少的贝尔状态断层扫描测量和预测的基础上，一个简化的噪声模型。这些结果表明，该技术是有效的两离子量子过程的表征和提取有意义的信息存在于系统中的错误。这种方法的实验方便，将允许更广泛地使用过程层析成像的特征纠缠门在捕获离子系统。
2021-04-20 physics.atom-ph quant-ph
Realization of programmable Ising models in a trapped-ion quantum simulator
本研究在囚禁离子量子模拟器中实现了最多四个自旋的全连接可编程伊辛模型，通过相位调制实现可编程性，并验证了多种相互作用几何结构，为实际量子优势奠定基础。
2023-11-08 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Variational Quantum Circuits for Quantum State Tomography
National University of Defense Technology（国防科技大学）；National Innovation Institute of Defense Technology（国防科技创新研究院）
量子态层析成像是大多数量子实验中的关键过程。在这项工作中，我们采用量子机器学习进行状态层析成像。给定一个未知的量子态，它可以通过最大化变分量子线路的输出和这个状态之间的保真度来学习。变分量子线路的参数数量随着量子比特的数量和线路深度线性增长，因此即使对于高度纠缠的状态，也只需要多项式测量。然后，利用经典电路模拟器将变分量子线路中的目标量子态信息转换为常见的形式。我们证明了我们的方法进行数值模拟的一维量子自旋链的基态的层析成像，使用变分量子线路模拟器。该方法适用于近期的量子计算平台，可用于实验相关量子态的相对大规模量子态层析成像。
2020-04-12 cs.LG physics.comp-ph quant-ph
Machine learning design of a trapped-ion quantum spin simulator
囚禁离子已经成为物理学各个领域感兴趣的相互作用自旋模型的量子模拟的最高质量平台之一。在这样的模拟器中，两个有效的自旋可以通过耦合到离子的集体振动或声子状态而以任意强度相互作用，由精确调谐的激光束控制。然而，确定给定自旋-自旋相互作用图所需的激光控制参数的任务是一种类型的逆问题，其在数学上可能是高度复杂的。在本文中，我们适应了现代机器学习技术开发的类似的逆问题的任务，找到激光控制参数的一些相互作用的图形。我们证明，典型的图形，形成规则的晶格感兴趣的物理学家，可以很容易地产生多达50个离子使用一个GPU工作站。机器学习方法的缩放表明，这可以通过适度的额外计算工作扩展到数百个离子。
2019-10-06 cond-mat.str-el quant-ph
Practical Entanglement Estimation for Spin-System Quantum Simulators
我们提出了实用的方法来测量纠缠的量子模拟器，可以实现与被困离子，冷原子，超导量子比特。专注于长距离和短距离伊辛型哈密顿量，我们介绍了适用于实际实验条件下的方案，包括混合性，例如，噪音或温度。特别是，我们确定了一个单一的观察，其期望值作为一个下界纠缠，这可能是由一个简单的量子线路。由于这样的电路（尚未）可用于每个平台，我们调查的性能，定期测量的可观测量作为定量纠缠证人。可能的应用包括临界系统中纠缠缩放的实验研究和量子模拟器的可靠基准测试。
2015-04-14 cond-mat.mes-hall cond-mat.quant-gas cond-mat.supr-con
Measuring nonequilibrium retarded spin-spin Green's functions in an ion-trap based quantum simulator
最近的工作提出了一个变种的拉姆齐干涉耦合自旋$1/2$系统，直接测量延迟自旋自旋格林函数。在此基础上，我们进一步研究了横场伊辛模型中的非平衡态迟滞自旋-自旋格林函数。我们推导出最低的四个谱矩来理解短时行为，并采用Lehmann表示来确定谱行为。我们模拟了一个非平衡量子自旋系统的Ramsey协议，该系统由基态和非绝热激发的高能态通过时间斜坡横向磁场的相干叠加组成。然后，我们应用拉姆齐光谱协议的最终哈密顿量，它有一个恒定的横场。短时间的行为直接关系到多体关联输运的Lieb-Robinson边界，而长时间的行为则与哈密顿量的激发谱有关。在数据分析中采用压缩感测以有效地提取该光谱。
2015-12-16 cond-mat.quant-gas quant-ph
Exploring non-equilibrium phases of the generalized Dicke model with a trapped Rydberg ion quantum simulator
囚禁离子是研究量子多体现象的通用平台，特别是对于研究由声子介导的长程相互作用的情况。最近的实验表明，被困的离子平台可以通过激发高位里德堡态来增强。这引入了独立于声子结构的可控的依赖于状态的相互作用。然而，在这个新的可访问的制度中的多体物理学在很大程度上是未探索的。我们表明，这个系统授予访问广义迪克模型物理，在里德伯态离子之间的偶极相互作用大大改变集体非平衡行为。我们分析和分类新兴的动力学阶段，并确定了主机的非平衡签名，如多相共存区域和声子激光制度。此外，我们还展示了如何通过散射光子的荧光信号来检测和表征它们。因此，我们的研究突出了被困里德伯离子系统的新功能，用于创建和检测量子非平衡相。
2019-02-28 cond-mat.stat-mech quant-ph
Efficient Classical Shadow Tomography through Many-body Localization Dynamics
本文提出利用多体局域化动力学构建经典阴影层析方案，无需随机双量子比特门，并通过解析、TEBD数值及完整采样重建模拟验证其效率优势。
2024-09-09 cond-mat.dis-nn cond-mat.quant-gas cond-mat.stat-mech
Diabatic ramping spectroscopy of many-body excited states for trapped-ion quantum simulators
由于实验时间的限制，现有技术的量子模拟与捕获的离子，直接制备的基态的横向场伊辛模型的磁场倾斜的横向场变得越来越困难，随着粒子数量的增加。我们提出了一个光谱协议，故意创建通过非绝热斜波的横向场的激发和测量的低噪声观测作为时间的函数的恒定场，以揭示所产生的多体状态的相干动力学的结构。为了模拟实验数据，从计数统计噪声和退相干误差被添加。利用压缩传感技术对模拟数据进行傅立叶变换，提取低频能量激励谱。通过使用压缩感测，提取该能量谱所需的时间数据量急剧减少，使得这种实验在当前技术下可行。
2014-02-28 quant-ph
Experimental preparation of $W$ states through frustration on a programmable quantum simulator
Università degli Studi di Padova（帕多瓦大学）；INFN, Sezione di Padova（意大利国家核物理研究所帕多瓦分部）；Institut Ruđer Bošković（鲁德·博什科维奇研究所）；Harvard University（哈佛大学）；Indiana University（印第安纳大学）；Institut Jožef Stefan（约瑟夫·斯蒂芬研究所）
研究通过拓扑环阻挫在可编程量子模拟器上制备W态，实现多达11个原子的W态制备，保真度约0.77，引入贝叶斯层析成像方法认证多体纠缠态，确立拓扑阻挫为制备多体纠缠的实用机制及认证相关态的可扩展途径。
2026-07-10 cond-mat.quant-gas quant-ph
A Site-Resolved 2D Quantum Simulator with Hundreds of Trapped Ions
该研究在二维离子阱系统中实现512个离子稳定囚禁与位点分辨读出，用300个离子完成可调长程伊辛模型量子模拟及动力学探测，为大规模离子阱量子模拟与NISQ算法运行奠定基础。
2024-04-11 quant-ph
