Quantum computing with semiconductor double-dot molecules on a chip
我们开发了一种可扩展的量子计算架构，使用可控电子的双点分子耦合到一个微波带状线谐振器的芯片上，它满足所有Divincenzo标准。我们分析了所有所需操作的性能和稳定性，并强调所有技术都是可行的，目前的实验技术。
2010-01-18 quant-ph
A photonic chip-based machine learning approach for the prediction of molecular properties
Nanyang Technological University（南洋理工大学）；National University of Singapore（新加坡国立大学）；University of California, Merced（加州大学默塞德分校）；Tongji University（同济大学）；Agency for Science, Technology and Research（新加坡科技研究局）；Advanced Micro Foundry（先进微铸造厂）；Tencent America（腾讯美国）
机器学习方法彻底改变了新分子和新材料的发现过程。然而，神经网络对复杂性不断增加的分子的密集训练过程导致计算成本呈指数级增长，导致长模拟时间和高能耗。光子芯片技术为实现神经网络提供了一个替代平台，与数字计算机相比，它具有更快的数据处理速度和更低的能耗。光子学技术自然能够实现复值神经网络，而无需额外的硬件成本。在这里，我们展示了光子神经网络预测分子的量子力学性质的能力。据我们所知，这项工作是第一次利用光子技术在计算化学和分子科学中的机器学习应用，如药物发现和材料设计。我们进一步表明，可以通过多任务回归学习算法在光子芯片中同时学习多个属性，这也是同类中的第一个，因为大多数以前的工作都集中在实现网络的分类任务。
2022-12-26 cs.ET cs.LG physics.optics
Prospects for giant optical nonlinearity on a chip
我们指出，个别的有机染料分子，靠近光波导沉积在光子芯片上，可以作为单光子源，也可以提供本地化的，巨大的光学非线性。这种新的原子-光子界面可以作为处理量子信息的资源。
2011-04-19 physics.atom-ph quant-ph
Squeezed light from a nanophotonic molecule
光子分子由两个或更多个光学谐振器组成，这些谐振器被布置成使得每个谐振器的一些模式与另一个谐振器的模式耦合。这种结构已被用于模拟两级系统的行为，激光和按需光学存储和检索。耦合谐振器也被用于集成器件的色散工程，增强了它们在非线性光学应用中的性能。这种集成的非线性结构的精细工程需要开发可扩展的非经典光源，以部署在量子信息处理系统中。在这项工作中，我们展示了一个光子分子组成的两个耦合microwave谐振器的集成纳米光子芯片，旨在产生强烈的压缩光不受噪声污染的不必要的寄生非线性过程。通过调谐光子分子以选择性地耦合并且因此仅杂交在不想要的过程中涉及的模式，实现寄生参数荧光的抑制。这种策略使得能够使用微谐振器来有效地产生简并压缩光：没有它，简单的单谐振器结构不能避免非线性噪声的污染而不显著地损害泵浦功率效率，并且因此仅限于产生弱简并压缩。我们使用该器件在芯片上产生8（1）dB的宽带简并压缩光，直接测量到1.65（1）dB，这是迄今为止从任何纳米光子源报道的最大压缩量。
2020-11-08 physics.optics quant-ph
Quantum Interference of Tunably Indistinguishable Photons from Remote Organic Molecules
我们证明了双光子干涉使用两个远程单分子作为明亮的固态源不可区分的光子。通过改变一个分子的跃迁频率和光谱宽度，我们调谐和探索光子可调谐性的影响。我们讨论了未来的改进单光子束的亮度，他们的集成芯片上的大量，和我们的实验方案的扩展到遥远的分子的耦合和纠缠。
2009-11-16 quant-ph
Probing atoms and molecules close to macroscopic bodies
该教授资格论文总结了作者在片上集成原子源制备、近场Casimir-Polder相互作用温度特性验证、纳米结构原子蒸气光谱基准研制及近表面分子气体光谱实验可行性探索方面的研究进展。
2023-12-19 physics.atom-ph quant-ph
Laser-induced frequency tuning of Fourier-limited single-molecule emitters
有机固体中电荷与光的局域相互作用是产生独特和基本效应的基础。我们在这里观察到，在单分子尺度上，如何聚焦激光束可以局部移动数百倍的自然线宽和持久的方式的有机发色团的跃迁频率，在液氦温度下冷却在不同的主机矩阵。通过量子化学计算，将结果解释为光电离级联效应，导致稳定的电场，使分子电子能级发生斯塔克位移。实验方法，然后应用到一个共同的挑战，在量子光子学，即独立调谐和同步的近距离量子发射，这是多光子实验所需要的。五个分子在空间上相隔约50微米，最初相隔20 GHz，在其线宽的两倍内产生共振。将这种能力与仅受自发衰变限制的发射线宽相结合，该系统能够实现集成在同一光子芯片上的多个分子的免制造、独立调谐。
2020-05-25 physics.optics quant-ph
A perspective on scaling up quantum computation with molecular spins
人工磁性分子可以通过以下方式促进大规模量子计算的进展：a）集成多个量子资源，b）降低某些应用的计算成本。在理论建议的指导下，化学设计允许在每个分子单元中嵌入非平凡的量子功能，然后作为微观量子处理器，能够编码错误保护的逻辑量子比特或实现量子模拟。进一步扩大规模需要“叠加”多个分子。我们讨论如何实现这一目标的耦合片上超导谐振器。这种混合方法的潜在优势和仍然摆在面前的挑战进行了严格审查。
2021-05-03 cond-mat.mes-hall quant-ph
Photon-photon quantum phase gate in a photonic molecule with $χ^{(2)}$ nonlinearity
基于光子非线性的光子-光子量子相位门的构建是实现确定性和可扩展性光子量子信息处理的关键。它不仅要求在单光子水平上有很强的非线性相互作用，而且要求抑制相位噪声和光谱纠缠以获得高的门保真度。本文提出，具有强$χ^{(2)}$非线性的高品质因数微腔可以量子化到非简谐能级，有效地作为人工原子处理。这种人造原子具有比光子波长大得多的尺寸，这使得能够与行进的光子进行被动和主动的超强耦合。在光子分子结构中，通过中间人工原子调节光子之间的相位，实现了高保真度的量子相位控制门。该方案避免了双光子辐射，从而消除了光谱纠缠和量子相位噪声。在集成光子芯片上实现人造原子的实验是可行的，它在无单发射极、室温量子信息处理方面具有巨大的潜力。
2019-09-24 physics.optics quant-ph
Molecules as Sources for Indistinguishable Single Photons
我们报告在两个单独的低温激光扫描显微镜的固态单光子源的触发产生的不可区分的光子。有机荧光分子被用作发射体，并通过高分辨率激光光谱进行了研究。对单个分子的连续波光子相关测量证明了单量子系统的隔离。通过使用频率选择性脉冲激发的分子和有效的光谱过滤其发射，我们产生触发傅里叶限制的单光子。在进一步的步骤中，施加局部电场以通过斯塔克效应匹配两种不同分子的发射波长。全同单光子是实现各种量子信息处理方案所必需的。这里提出的固态方法为在单个芯片上集成多个单光子亮源铺平了道路。
2008-10-23 quant-ph
Precision ultrasound sensing on a chip
超声波传感器在科学和技术领域有着广泛的应用。然而，需要提高灵敏度，以用于增强和增加空间分辨率。在这里，我们介绍了腔光学机械超声传感，其中双重光学和机械谐振增强超声信号。我们实现了8- 300 $μ$ Pa/ $\sqrt{\rm Hz}$在千赫到兆赫频率的微型硅芯片为基础的传感器与$>$ 120 dB的动态范围的噪声等效压力。灵敏度远远超过单独使用光学谐振的类似传感器，并且归一化到感测区域，超过先前的空气耦合超声波传感器几个数量级。本底噪声第一次由声波在其中传播的气体中的分子的碰撞主导。这种新的声学传感方法可以应用于从生物医学诊断到自主导航，痕量气体传感和单细胞生命诱导振动的科学探索。
2018-10-08 physics.app-ph quant-ph
Jellybean quantum dots in silicon for qubit coupling and on-chip quantum chemistry
硅金属氧化物半导体（SiMOS）量子点自旋量子比特的小尺寸和优异的可集成性使其成为可大规模制造的、按比例放大的量子处理器的有吸引力的系统。此外，如果选择具有稀疏量子位阵列的架构，则可以在量子位之间的芯片上集成经典控制电子器件。在这种架构中，量子比特要么通过穿梭在芯片上传输，要么通过中介量子系统在短距离到中距离上耦合。本文研究了一种细长量子点--一种所谓的豆状量子点--的电荷和自旋特性，以作为量子比特-量子比特耦合器的前景。在mK温度下对SiMOS量子点器件进行了电荷输运、电荷传感和磁谱测量，并与Hartree-Fock多电子模拟进行了比较。在低电子occupancy，其中无序效应和强电子-电子相互作用占主导地位的静电约束电位，数据揭示了三个耦合点的形成，类似于一个可调的，人工分子。一个点形成在栅极下方的中心，两个点形成在边缘。在高电子占有率下，这些点合并成一个具有明确定义的自旋态的大点，验证了量子点具有在未来量子计算架构中用作量子位耦合器的潜力。
2022-08-08 cond-mat.mes-hall physics.chem-ph quant-ph
Cavity QED in a molecular ion trap
提出了一种利用片上超导微波谐振器研究囚禁分子离子的量子信息和高分辨光谱学的方法。分子离子与中性分子相比有几个优点。离子可以被加载到深（1 eV）RF陷阱，并被捕获独立的电偶极矩的旋转过渡。它们的电荷保护它们免受运动失相，并防止碰撞损失，允许1秒的相干时间时，用作量子存储器，与检测的单分子可能在<10毫秒。分析的检测效率和相干性的分子。
2010-09-22 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con physics.atom-ph
High-accuracy disposable micro-optical anti-counterfeiting labels based on single-molecule quantum coherence
本文提出一种基于单分子量子相干的一次性微光学防伪标签方法，结合喷墨打印与频域成像，通过实验、模拟和神经网络验证，实现识别准确率超过99.995%的高精度防伪。
2025-03-10 quant-ph
Large-bandwidth transduction between an optical single quantum-dot molecule and a superconducting resonator
微波域与光域之间的量子转换是基于超导量子比特的长距离量子网络面临的一个突出挑战。对于迄今为止实现的所有换能器，通常弱的光-物质耦合不允许同时具有高转换效率、大带宽和低噪声。在这里，我们表明，一个大的电偶极矩的激子在光学活性的自组装量子点分子（QDM）有效地耦合到微波谐振腔场在单光子水平。这允许在没有相干光泵浦场的情况下在微波和光学光子之间进行转换以增强相互作用。利用片上器件，我们证明了16 MHz的相当大的单光子耦合强度。由于QDM中激子的快速衰减速率，光学和微波谐振器光子之间的转换带宽达到几百MHz。
2022-01-17 quant-ph
Two-qubit quantum photonic processor manufactured by femtosecond laser writing
本研究利用飞秒激光直写技术制造了低损耗可重构的双量子比特光子量子处理器，通过完全过程层析表征了门性能，并基于变分量子本征求解算法演示了计算H2分子基态能量，证明了该技术在构建高质量小规模量子处理器方面的潜力。
2022-12-12 physics.optics quant-ph
A generalised multipath delayed-choice experiment on a large-scale quantum nanophotonic chip
著名的双缝或双路径实验，在杨氏或马赫-曾德尔干涉仪中实现，已经证实了量子物质的双重性质，当光子，中子，原子或分子流通过两个狭缝时，可以确定在屏幕上建立波状干涉条纹或粒子状的路径分布。这些量子物体同时表现出波和粒子的性质，但只表现出波和粒子的性质，这取决于它们的测量方式。在一个等效的马赫-曾德尔配置，对象显示波或粒子性质的存在或不存在的分束器，分别代表选择哪一个测量。惠勒进一步提出了一个gedanken实验，在这个实验中，选择哪一个测量是延迟的，也就是说，在物体已经进入干涉仪之后才确定，以便排除预测它将面临哪一个测量的可能性。延迟选择实验已经能够显著地证明不同量子物体的真正双路径对偶性。最近，Ionicioiu和Terno提出了延迟选择的量子控制版本，通过引入量子控制分束器，该分束器处于存在和不存在的相干叠加中。它代表了一个可控的实验平台，不仅可以揭示波和粒子的特性，而且他们的叠加。此外，双缝对偶关系的定量描述在Wootters和Zurek的开创性工作中被初始化，并由Greenberger等人形式化。D2+V2<=1，其中D是路径信息的可分辨性，V是干扰的对比可见度。在这方面，仅获得哪条路径信息会降低干扰可见性，反之亦然。这种双路径对偶关系已经在先驱实验和最近的延迟选择测量中得到了检验。
2021-05-12 quant-ph
Microfabricated high-finesse optical cavity with open access and small volume
我们提出了一种新颖的微加工光学腔，它结合了一个非常小的模式体积与高精细度。与其他微谐振器（如微球）相比，我们构建的结构使原子和分子能够直接进入场模式的高强度部分，使它们能够与腔中的光子进行强烈的相互作用，以实现检测和量子相干操作的目的。光通过光纤直接耦合进和出谐振器，避免了对敏感耦合光学器件的需要。这使得腔作为芯片实验室的组件和量子网络中的节点特别有吸引力。
2005-06-28 quant-ph
Vapor Phase Assembly of Molecular Emitter Crystals for Photonic Integrated Circuits
Purdue University（普渡大学）；Ohio Northern University（俄亥俄北方大学）
本文提出了一种气相生长方法，用于制备适用于集成纳米光子学的光学薄DBT掺杂蒽晶体，实现分子偶极子与光学模式的对齐，为芯片上单光子源和集体多发射体效应提供新路径。
2026-02-19 quant-ph
One- and two-dimensional nuclear magnetic resonance spectroscopy with a diamond quantum sensor
我们报告的傅立叶光谱实验进行了近表面的氮空位中心的金刚石芯片。通过检测核自旋的自由旋进，而不是应用多脉冲量子传感协议，我们能够明确地识别没有谐波的NMR种类。我们进一步表明，通过工程不同的哈密顿在自由进动，超精细耦合参数以及核拉莫尔频率可以选择性地测量高精度（这里5位数）。这些协议可以结合起来演示二维傅立叶光谱。该技术将有助于绘制分子中的核坐标，从而对其原子结构进行成像。
2015-12-10 quant-ph
Broad-band spectroscopy of a vanadyl porphyrin: a model electronuclear spin qudit
我们探索如何在钒卟啉分子中编码超过一个量子位，该分子具有电子自旋1/2耦合到核自旋7/2。的自旋哈密顿量和它的参数，以及自旋动力学，已确定通过组合的电子顺磁共振，热容，磁化强度和片上磁谱实验上进行单晶。我们发现低温自旋相干时间微秒和自旋弛豫时间长于一秒。对于足够强的磁场（B大于0.1 T，对应于9至10 GHz的共振频率），这些性质使氧钒卟啉分子成为合适的量子位实现。多个等间距核自旋能级的存在则仅仅提供8种选择来定义0和1基态。对于较低的磁场（低于0.1 T），和较低的频率（小于2 GHz），我们发现一个相当大的电子纠缠的光谱签名。这种效应在不同的电子自旋态之间产生了一组更大的允许跃迁，并消除了它们的简并。在这些条件下，我们证明了每个分子都满足充当通用4量子比特处理器的条件，或者等效地，作为d = 16量子比特。这些发现拓宽了能够实现非平凡量子功能的化学设计系统的目录，例如量子模拟，特别是在分子水平上的量子纠错。
2021-01-27 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Quantum Magnetic J-Oscillators
Johannes Gutenberg University of Mainz（美因茨约翰内斯·古腾堡大学）；Helmholtz Institute Mainz（美因茨亥姆霍兹研究所）；GSI Helmholtzzentrum fur Schwerionenforschung（GSI重离子研究中心）；University of California, Berkeley（加州大学伯克利分校）
量子磁J振荡器利用核自旋耦合实现高精度频率振荡，为分子指纹和高精度测量提供新工具。
2025-06-18 physics.chem-ph quant-ph
Nanomechanical sensing using spins in diamond
纳米机械传感器和量子纳米传感器是两种快速发展的技术，在生物和化学分析以及显微镜中具有不同的跨学科应用。例如，基于纳米机电系统（NEMS）的纳米机械传感器已经证明了能够检测单个大分子（如蛋白质）的芯片级质谱。基于金刚石中带负电荷的氮空位（NV）中心的电子自旋的量子纳米传感器已经展示了纳米计量学的多种模式，包括单分子磁共振光谱。在这里，我们报告了以含有NV中心的金刚石纳米机械结构的形式将这两种互补技术结合起来的第一步。我们建立的原则，纳米机械传感器使用这样的纳米自旋机械传感器（NSMS），并评估其潜力的质谱和力显微镜。我们预测NSMS能够提供前所未有的细胞生物力学的AC力图像，不仅可以检测单个大分子的质量，还可以对其分布进行成像。当与NV中心的其他纳米计量模式相结合时，NSMS可能在纳米尺度上提供无与伦比的分析能力。
2017-04-17 cond-mat.mes-hall quant-ph
Spin squeezing by one-photon-two-atom excitations processes in atomic ensembles
在其他地方已经表明，两个空间分离的原子可以共同吸收一个光子，其频率等于两个原子的跃迁频率之和。我们在多个二能级原子系综的情况下描述了这一过程，并证明了它可以用来产生自旋压缩和纠缠。这种共振集体过程允许在单光子极限下产生相当大的压缩。它代表了一种新的产生多体自旋-自旋相互作用的方法，在自旋之间产生双轴类扭转相互作用，这对自旋压缩的产生是非常有效的。我们对耦合到超导共面腔的磁性分子系综进行了显式计算。该系统代表了一个有吸引力的片上架构，用于实现改进的检测。
2020-02-27 quant-ph
Graphene double quantum dot as a solid-state two-level system in the THz range
Quobly（Quobly公司）；Research Center for Electronic and Optical Materials, National Institute for Materials Science（物质材料研究机构电子光学材料研究中心）；Research Center for Materials Nanoarchitectonics, National Institute for Materials Science（物质材料研究机构材料纳米架构研究中心）；Université Paris-Saclay, CNRS, Centre de Nanosciences et Nanotechnologies (C2N)（巴黎萨克雷大学）
该研究开发了一种基于hBN封装石墨烯双量子点的太赫兹二能级系统，可实现0.145 THz的跃迁频率，为太赫兹量子技术提供了关键构建模块。
2026-10-12 cond-mat.mes-hall quant-ph
Performance analysis of different photon-mediated entanglement generation schemes under optical dephasing and spectral diffusion
本研究针对固态量子发射器的光学退相与光谱扩散噪声，对比三种光子介导纠缠方案的性能，确定不同噪声区间的最优方案及对应测量参数，还探究了滤波对保真度的提升作用，为纠缠方案选择和测量策略制定提供实用指导。
2024-12-13 quant-ph
A Unified Electrostatic-to-Spin Framework for Asymmetric Multi-Gate CMOS Quantum Devices
Hangzhou Institute of Technology, Xidian University（西安大学杭州研究院）；Faculty of Integrated Circuit, Xidian University（西安大学集成电路学院）
研究为非对称多栅硅量子点器件开发降阶分析框架，用泊松核耦合界面格林函数模型解决静电问题，将栅极约束用于自旋谷多体计算，连接CMOS布局、器件静电学和量子可观测量。
2026-07-07 cond-mat.mes-hall quant-ph
Quantum restricted Boltzmann machine universal for quantum computation
量子物理中的多体问题所带来的挑战源于描述编码在高复杂度的多体波函数中的非平凡关联的困难。量子神经网络为大尺度波函数的表示提供了强有力的工具，在量子优越时代引起了人们的广泛关注。一个重要的开放问题是单层量子神经网络的代表性功率边界到底是什么。本文设计了一种2-局域哈密顿量，并在此基础上构造了一种量子限制玻尔兹曼机（QRBM，即单层量子神经网络），该量子限制玻尔兹曼机具有以下两个显著特点：1. (1)证明了该方法的通用性，可用于实现量子计算任务。(2)它可以有效地实现在噪声中间尺度量子（NISQ）设备。我们成功地利用建议QRBM计算的波函数的显着情况下的物理利益，包括基态以及吉布斯状态（热态）的超导量子芯片上的分子。实验结果表明，所提出的QRBM可以计算上述波函数与可接受的误差。
2020-08-31 quant-ph
Disorder-Engineered Hybrid Plasmonic Cavities for Emission Control of Defects in hBN
Middle East Technical University（中东技术大学）；Izmir Institute of Technology（伊兹密尔理工大学）；Tampere University（坦佩雷大学）；Eindhoven University of Technology（埃因霍温理工大学）；Sabancı University（萨班哲大学）
本研究通过低成本可扩展方法集成石墨烯氮化硼中的缺陷量子发射体与等离子体纳米腔体，实现光致发光增强和衰变动力学控制，无需确定性定位。
2026-01-31 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Stable, bidirectional electro-optic transduction in thin film lithium tantalate
Miraex SA（Miraex公司）；École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)（洛桑联邦理工学院）
本研究首次在薄膜钽酸锂平台上实现集成电光微波-光学转换器，利用晶圆级深紫外光刻制造超导微波谐振器与可调光子分子光学谐振器，实现双向相干转换，效率与耦合率与理论一致，并展示静态偏置下的多天连续稳定运行。
2026-06-12 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Quantum information density scaling and qubit operation time constraints of CMOS silicon based quantum computer architectures
即使是Fe $_2$ S $_2$等简单分子的量子模拟也需要10个以上的$^6$量子比特。为了评估这种数百万规模的相同量子位和控制线，硅平台似乎是最有代表性的路线之一，因为它提供了纳米级，串行和工业质量制造的能力。每单位表面的最大量子信息量以及由此产生的对量子比特操作的空间约束是实现Si量子比特容错量子信息处理（QIP）的关键参数。对于紧凑的仅交换Si双量子点量子位架构，这种量子信息的最大密度表示为CMOS技术节点的函数。通过审查物理和技术约束，评估优化物理量子比特操作时间和量子纠错（QEC）要求的尺寸尺度。我们确定Si-CMOS量子处理器的工作频率范围在1到100 GHz之间，这将其可行性限制在最先进的节点上。与经典的控制电路的兼容性进行了讨论，重点放在低温CMOS操作，使经典的控制器尽可能接近量子处理器，并使成千上万的量子位接口在同一芯片上。低温控制电子学的操作时间范围被认为是与量子位操作时间兼容的。通过结合技术发展的预测与操作时间和经典电路的限制，我们推导出的最大量子信息密度为2.8和4 Mqb/cm $^2$分别为10纳米和7纳米技术节点的Steane码的逻辑量子比特。对于表面码和级联码，密度分别小一个和两个数量级。这些值为Si基容错QIP的开发提供了基准。
2017-04-20 quant-ph
