Spin-squeezed vector atomic magnetometry
针对现有原子磁强计因原子难处于纯量子态而无法兼容自旋压缩、且难以应对磁场任意方向的问题，提出结合自旋压缩的冷原子磁强计，可测任意磁场的大小和方向，实验可达参数下灵敏度比现有最佳磁强计高近三个数量级。
2025-02-14 quant-ph
Optimal waveform estimation for classical and quantum systems via time-symmetric smoothing. II. Applications to atomic magnetometry and Hardy's paradox
量子平滑理论[Tsang，Phys. Rev. Lett. 102，250403（2009）; Phys. Rev. A，印刷中（电子印刷arXiv：0906.4133）]被扩展以解释待估计的经典随机过程中的离散跳跃、量子系统中的离散变量，例如自旋、角动量和光子数，以及泊松测量，例如光子计数。应用扩展理论对原子磁力计进行了建模，并研究了相空间中的哈代佯谬。在哈代提出的实验的相空间图像中，预测的维格纳分布的负性被认为是经典推理和量子力学之间不一致的罪魁祸首。
2009-09-13 quant-ph
Adaptive cold-atom magnetometry mitigating the trade-off between sensitivity and dynamic range
本文实验演示了一种自适应无纠缠冷原子磁力测量方法，通过定制贝叶斯量子估计算法结合CPT-Ramsey干涉测量，在145.6纳特斯拉范围内实现了6.8皮特斯拉每平方根赫兹的灵敏度，成功缓解了灵敏度与动态范围之间的权衡。
2025-03-03 quant-ph
Atomic magnetometry using a metasurface polarizing beamsplitter in silicon on sapphire
本文首次将蓝宝石上硅超表面偏振分束器用于铷原子磁力测量，实现亚纳特斯拉灵敏度，为小型化高灵敏原子传感器奠定基础。
2024-04-02 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Space magnetometry with a differential atom interferometer
本文利用国际空间站NASA Cold Atom Lab中的差分单环和双环原子干涉仪进行轨道磁测量，通过对比磁敏感与非敏感态原子实现了磁场曲率测绘，为太空精密量子传感任务铺平了道路。
2025-05-29 cond-mat.quant-gas physics.atom-ph quant-ph
Magnetometry with entangled atomic samples
我们提出了一个理论的标量或矢量磁场的影响，对一个系综囚禁自旋极化原子的估计。原子与连续的激光场非共振地相互作用，并且由色散原子-光耦合引起的探测光的偏振旋转的测量导致原子样品的自旋压缩，这使得能够估计磁场，其比从标准计数统计预期的更精确。对于偏振光和极化原子，用有效高斯位置和动量变量描述原子的集体自旋角动量和光场的集体斯托克斯矢量的非经典分量实际上是精确的。高斯形式主义非常有效地描述了系统的动力学，并明确地说明了由于测量和磁场的估计而对原子的反作用。多分量磁场是通过测量适当选择的原子观测量来估计的，并且通过将原子气体分成两个或多个样品来获得精度和效率，所述两个或多个样品通过色散原子-光相互作用而纠缠。
2004-09-28 quant-ph
Precision bounds for gradient magnetometry with atomic ensembles
我们研究了自旋为任意的原子系综的梯度磁场。基于量子费舍尔信息，我们计算了磁场梯度估计的精度界。对于在均匀磁场下不变的量子态，我们需要测量单个可观测量来估计梯度。另一方面，对于对均匀场敏感的状态，需要同时测量，因为还必须估计均匀场。我们证明了本文所研究的情况下，这样的测量是可行的。我们提出了一种方法来计算精度边界的梯度估计与原子链或两个空间分离的原子系综。我们还考虑了一个单一的原子系综与任意的密度分布，其中的原子不能单独解决，这是一个非常相关的实验情况。我们的模型甚至可以考虑粒子位置之间的相关性。虽然在大多数讨论中，我们考虑的是相对于其空间自由度而言是经典的定域粒子的系综，但我们也讨论了具有单个玻色-爱因斯坦凝聚体的梯度计量的情况。
2018-06-07 quant-ph
Quantum Sensing in Tweezer Arrays: Optical Magnetometry on an Individual-Atom Sensor Grid
本研究构建了含数百个单原子位点的可扩展光镊阵列量子传感平台，实现二维磁场高分辨并行映射，支持亚微米级单原子扫描，测得98(29)nT磁场分辨率与25μT/Hz^1/2灵敏度。
2024-03-08 quant-ph
EIT-based Vector Magnetometry in Linear Polarized Light
基于线偏振双色场中原子与光相互作用的对称性和高对比度EIT共振态，提出了EIT矢量磁强计的一般原理。并演示了这种矢量磁力仪在~（87）Rb D_1线上的工作。建议的指南针磁力计有一个增加的免疫力所产生的位移二次塞曼和交流斯塔克效应，以及原子缓冲气体和原子原子碰撞。在我们的原理验证实验中，检测到的对磁场方向的灵敏度为10^{-3} deg/Hz^{1/2}，这受到激光强度波动、光偏振质量和磁场大小的限制。
2010-05-24 physics.atom-ph physics.ins-det quant-ph
Quantum noise limited and entanglement-assisted magnetometry
我们实验研究原子射频磁力仪的灵敏度的基本限制。首先，我们应用一个最佳序列的状态准备，进化，和反作用规避测量，以实现近投影噪声限制的灵敏度。我们还通过实验证明了由测量产生的原子的Einstein-Podolsky-Rosen（EPR）纠缠增强了对脉冲磁场的灵敏度。我们在磁力计中利用1.5*10^12个原子的真正宏观系综证明了这种量子极限传感，这使我们能够实现亚飞秒特斯拉/平方（Hz）的灵敏度。
2010-03-20 quant-ph
Scalable Spin Squeezing for Quantum-Enhanced Magnetometry with Bose-Einstein Condensates
量子精密测量的一个主要挑战是产生具有宏观原子数的纠缠态。在这里，我们实验证明，通过非线性动力学产生的原子压缩在玻色-爱因斯坦凝聚体，结合适当的陷阱几何形状，允许缩放到大的合奏大小。对12300个粒子，我们实现了5.3（5）dB的涨落抑制，这意味着对于10个以上的$^7$原子也可以实现类似的压缩。有了这个资源，我们展示了量子增强磁强计交换压缩状态的磁敏感的超精细水平，具有可忽略的非线性。我们发现一个量子增强的单次激发的灵敏度为310（47）pT的静态磁场中的探头体积小到90 $μ$ m $^3$。
2014-05-23 cond-mat.quant-gas quant-ph
High sensitivity optical Faraday-magnetometry with intracavity electromagnetically induced transparency
提出了一种基于法拉第旋转和腔内电磁感应透明的弱磁场探测的多原子腔量子电动力学系统。我们的研究表明，腔模与原子系综之间的集体耦合可以用来提高灵敏度。在单光子探测条件下，灵敏度与原子数成反比，可达到0.7（5）nT/ $\sqrt{\rm Hz}$。数值计算表明，在多光子测量下，磁场灵敏度可提高到4.7（9）fT/ $\sqrt{\rm Hz}$。
2016-05-09 quant-ph
Magnetometry via a double-pass continuous quantum measurement of atomic spin
我们认为，这是可能的，在原则上，以减少原子磁强计的不确定性，通过双通过远失谐激光场通过原子样品，因为它经历拉莫尔进动。量子费舍尔信息的数值模拟表明，尽管缺乏明确的多体耦合项系统的磁哈密顿量，在这样的物理设置的参数估计的不确定性尺度优于传统的海森堡不确定性限制在一个指定的，但任意范围内的粒子数N。使用量子随机微积分和滤波理论的方法，我们证明了一个显式的参数估计（称为量子粒子滤波器），其观察到的缩放如下，我们计算的量子费舍尔信息。此外，量子粒子滤波定量地超过了量子Cramer-Rao不等式计算的不确定性限制的基础上的磁耦合哈密顿与只有单体运营商。我们还表明，量子卡尔曼滤波器是不足以获得超海森堡标度，并提出证据表明，这种标度需要超越高斯原子态的流形。
2009-06-16 quant-ph
Doppler-Enhanced Quantum Magnetometry with thermal Rydberg atoms
本研究利用室温热Rydberg原子结合量子干涉与多普勒频移，通过同向传播激光配置实现了对弱磁场响应的显著增强，为室温量子磁力测量提供了新平台。
2023-08-09 physics.atom-ph quant-ph
Interaction of light with planar lattices of atoms: Reflection, transmission and cooperative magnetometry
本文研究了二维平面冷原子晶格中强光介导的共振偶极-偶极相互作用。我们提供了一个详细的分析作为一个“超原子”，其响应类似于电磁诱导的透明度，但表现出超窄的集体尺寸依赖的次辐射共振线宽的偶极点发射器晶格平面的描述。超原子模型提供了直观简单的描述阵列的光谱响应，包括完全反射，全透射，窄Fano共振，和渐近表达式的集体本征模的共振线宽。我们提出了一个协议，几乎整个辐射激发转移到一个单一的相关subradiant本征模在一个晶格，并表明，通过堆叠的晶格阵列获得的介质可以形成一个合作的磁强计。这种磁力计利用与基于电磁感应透明度的磁力计类似的原理。然而，合作磁力计的精度不受单原子共振线宽的限制，而是由强偶极-偶极相互作用导致的更窄的集体线宽。
2018-02-13 cond-mat.quant-gas physics.atom-ph physics.optics
Noisy atomic magnetometry with Kalman filtering and measurement-based feedback
本文提出将量子非破坏性测量、扩展卡尔曼滤波与线性二次型调节器反馈控制相结合，自动将原子系综驱动至自旋压缩态，并在现实退相干条件下达到最优估计误差界限，实现实时高精度原子磁力测量。
2025-08-25 quant-ph
Enhanced Atomic Magnetometry with a Pinched Spin State
Fudan University（复旦大学）；Institute of Modern Physics, Fudan University（复旦大学现代物理研究所）
该研究利用挤压自旋态增强原子磁力计的量子Fisher信息，通过对称频谱设计实现磁场响应增强，在紧凑多程池中实现高灵敏度双轴零场磁力计。
2026-09-23 quant-ph
Versatile Atomic Magnetometry Assisted by Bayesian Inference
量子传感器通常将外部场转换为周期性响应，然后通过在傅立叶空间中执行的分析来确定其频率。这允许表征外部信号的参数的线性推断。然而，在实践中，量子传感器只能在很窄的振幅和频率范围内检测场。偏离该范围，以及存在显著的噪声源和短的检测时间，导致传感器的响应与目标场之间的线性关系的损失，从而限制传感器的工作状态。在这里，我们通过贝叶斯推断方法来解决这些挑战，该方法能够容忍与传感器的所需周期性响应的强烈偏差，并且即使在测量数量非常有限的情况下也能够提供可靠的估计。我们证明了我们的方法的$^{171}$ Yb $^{+}$捕获离子量子传感器，但强调这种方法的一般适用性，不同的系统。
2021-08-25 cond-mat.mes-hall quant-ph
Learning unified control of intrinsic nonlinear spin dynamics in atomic qudits for magnetometry
College of Physics, Nanjing University of Aeronautics（南京航空航天大学物理学院）；China Mobile (Suzhou) Software Technology Co., Ltd.（中国移动（苏州）软件技术有限公司）；Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics（上海光学精密机械研究所）；Chinese Academy of Sciences（中国科学院）；Key Laboratory of Aerospace Information Sensing（航空航天信息感知重点实验室）
本文通过强化学习在原子四态中统一控制内在非线性自旋动力学，实现磁力计的高灵敏度测量，突破标准量子限。
2026-10-30 cs.AI quant-ph
Electron Beam Characterization via Quantum Coherent Optical Magnetometry
本文提出利用铷原子蒸气中的量子相干光学磁测量，通过激光偏振旋转重建磁场二维投影，从而非侵入式确定电子束的位置、尺寸和电流。
2024-12-03 physics.atom-ph quant-ph
Ultimate limits for quantum magnetometry via time-continuous measurements
本文研究了在横向集体噪声作用下，总自旋为J的原子系综所受磁场B的估计。通过准备初始自旋相干态，对于在演化之后执行的任何测量，已知估计的均方误差按比例缩放为$1/J$，即没有获得量子增强。在这里，我们考虑连续监测原子环境的可能性，并最终表明，基于时间连续的非拆除测量，然后由最终的强测量的策略可以实现海森堡有限的缩放$1/{J^2}$，也是一个监测增强缩放的询问时间。我们还发现，时间连续的计划是强大的检测损失，因为我们证明了量子增强也可以恢复有限的测量效率。最后，我们分析证明了我们的策略的最优性。
2017-12-11 quant-ph
Noisy atomic magnetometry in real time
原则上，连续监测的原子自旋系综允许实时感测超出经典极限的外部磁场。在线性高斯范围内，由于测量引起的自旋压缩现象，它们获得了作为时间$t$和所涉及的原子数$N$的函数的量子增强的灵敏度标度。在我们的工作中，我们严格地研究了当考虑到不可避免的缺陷时，基于卡尔曼滤波方法的这些结论是如何变化的：以集体噪声的形式，以及场在时间上的随机波动。我们证明，即使是一个无穷小的噪音量不允许的错误被任意减少，通过简单地增加$N$，并迫使它最终遵循一个经典的行为在$t$。然而，我们也证明了，“感谢”噪声的存在，在大多数制度的模型的基础上的零差连续测量实际上实现了最终的灵敏度允许的退相干，然后产生最佳的量子增强。我们可以通过构建一个噪声引起的误差下限来做到这一点，该误差源于经典模拟噪声量子演化的一般方法，在此过程中，要估计的随机参数--这里是磁场--被编码。该方法自然延伸到计划超出了线性高斯制度，特别是，也涉及反馈或主动控制。
2021-12-08 physics.atom-ph quant-ph
A chip-scale atomic beam source for non-classical light
本研究将芯片级铷原子束源与高精细度腔量子电动力学系统集成，成功产生非经典光，为分布式非经典光源开辟新途径，并为提升芯片级磁力计和原子钟性能奠定基础。
2025-05-30 physics.atom-ph quant-ph
Quantum back-action in spinor condensate magnetometry
本文对旋量玻色-爱因斯坦凝聚体在非共振光场作用下的拉莫尔频率测量的量子反作用进行了理论研究。两个主要的结果，第一个是“量子跳跃”运营商的描述，反映了突然变化的自旋状态的原子时，一个单光子计数在光电二极管。第二个是推导出一个条件随机主方程，该方程将凝析油密度矩阵的演化与测量记录联系起来。我们评论这种形式主义的计量学和多体研究的应用。
2012-11-13 cond-mat.quant-gas quant-ph
Feasibility analysis of a proposed test of quantum gravity via novel optical magnetometry in xenon
本研究分析基于$^{129}$Xe光学磁力测量的量子引力搜索灵敏度，利用广义不确定性原理模型，通过双光子光谱检测拉莫尔频率变化，可将现有界限提高$10^{7}$至$10^{9}$倍。
2024-02-26 cond-mat.quant-gas physics.atom-ph quant-ph
Nuclear spin pair coherence in diamond for atomic scale magnetometry
氮空位（NV）中心作为量子信息处理的候选固态系统，其电子自旋相干性受到局域环境引起的磁场涨落的影响。在纯钻石中，环境由数百个C-13核自旋组成，这些自旋在几纳米范围内随机分布，形成一个自旋浴。在自旋浴的影响下控制和延长电子自旋相干性是量子信息处理的挑战性任务。另一方面，对于一个给定的浴分布，它的许多字符编码在电子自旋相干。因此，很自然地提出这样的问题：是否有可能“解码”电子自旋相干性，并提取有关浴结构的信息？在这里，我们表明，在数百个C-13浴自旋，存在强耦合集团，这引起的电子自旋相干的毫秒振荡。通过分析这些振荡特征，可以唯一地确定相干核自旋团簇的位置、取向和耦合强度等关键性质。这种少核自旋团簇的可寻址性扩展了在量子计算中使用金刚石中的核自旋作为量子比特的可行性。此外，它提供了一个新的原型单电子自旋为基础的，高分辨率和超灵敏的检测器的化学和生物应用。
2010-03-23 cond-mat.mes-hall quant-ph
Heisenberg scaling in optical magnetometry with measurement-induced correlations as a quantum resource
International Quantum Academy, Shenzhen（国际量子科学院）；Shenzhen Institute for Quantum Science and Engineering, Southern University of Science and Technology, Shenzhen（南方科技大学深圳量子科学与工程研究院）；Department of Physics, Southern University of Science and Technology, Shenzhen（南方科技大学物理系）；Department of Physics, Zhejiang University of Science and Technology, Hangzhou（浙江科技学院物理系）
该研究通过两种模型探讨了光学磁强计中量子信息的特性，发现海森堡标度源于测量诱导的量子相关性，并提出新的量子传感范式。
2026-07-27 quant-ph
Spin Correlations in Recirculating Multipass Alkali Cells for Advancing Quantum Magnetometry
Cavendish Laboratory, University of Cambridge（剑桥大学卡文迪什实验室）；Quantum Innovation Centre (Q.InC), Agency for Science Technology and Research (A*STAR)（新加坡科技研究局量子创新中心）
本文提出一种循环多程碱金属细胞，通过提高有效体积比和减少光斑重叠，提升自旋相关性，特别适用于凹面镜长焦距情况，有效抑制自旋扩散噪声。
2026-05-07 quant-ph
Microscopic theory of a precessing ferromagnet for ultrasensitive magnetometry
National University of Singapore（新加坡国立大学）；A*STAR Quantum Innovation Centre (Q.Inc), Institute of Materials Research and Engineering (IMRE), Agency for Science, Technology and Research (A*STAR)（A*STAR量子创新中心(Q.Inc)，材料研究与工程学院(IMRE)，科学技术研究局(A*STAR)）；Istituto di Fotonica e Nanotecnologie IFN–CNR（意大利国家研究委员会光子与纳米技术研究所(IFN-CNR)）；Fondazione Bruno Kessler (FBK)（布鲁诺·凯斯勒基金会(FBK)）；Helmholtz-Institut Mainz（美因茨赫尔姆霍兹研究所）；Johannes Gutenberg-Universität Mainz（美因茨约翰内斯·古腾堡大学）
本文提出悬浮铁磁体的微观理论，用于突破磁计量标准量子限，并探索其在测量伯尔利相位和低频磁场传感中的应用。
2025-03-02 quant-ph
Quantum Locking of Intrinsic Spin Squeezed State in Earth-field-range Magnetometry
针对地磁场范围中非线性 Zeeman 效应导致内禀自旋压缩态振荡、难以观测和传感的问题，提出量子锁定技术以形成持久 SSS，从而量子增强磁力仪灵敏度。
2024-10-29 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Quantum-enhanced magnetometry at optimal number density
本文研究在最优原子数密度下，利用压缩探测光与测量反作用规避技术提升光泵磁力计的灵敏度和带宽，实验证明其灵敏度可超越相干态探测在任何密度下的极限。
2023-08-24 physics.atom-ph quant-ph
Quantum thermodynamic derivation of the energy resolution limit in magnetometry
本文利用量子测量与 Landauer 擦除所需的量子热力学功，从第一性原理推导磁传感的能量分辨率极限，并解释其在多种磁力计中的普适性。
2024-08-30 physics.atom-ph quant-ph
Single-artificial-atom lasing using a voltage-biased superconducting charge qubit
我们考虑一个由单个人工原子耦合到腔模的系统。人工原子被偏置，使得系统中最主要的弛豫过程将原子从其基态带到其激发态，从而确保粒子数反转。最近的一个实验证明了这种情况是使用电压偏置超导电荷量子比特实现的。即使在“反向弛豫”条件下，如果“弛豫”速率大于某个阈值，激光作用也会被抑制。使用简单的过渡率参数和半经典计算，我们推导出解析表达式的激光抑制条件和状态的腔中的激光和抑制激光制度。数值计算的结果与解析推导的结果吻合得很好。我们首先分析了一个简化的二能级原子模型，然后分析了一个三能级原子模型，该模型可以准确地描述最近实现的超导人工原子激光器。
2009-02-18 cond-mat.supr-con quant-ph
Robust Magnetometry with Single NV Centers via Two-step Optimization
浅氮空位（NV）中心是高精度传感应用的有希望的候选者;这些缺陷，当位于表面以下几纳米时，提供原子级分辨率以及相当高的灵敏度。然而，金刚石表面上的悬空键和杂质导致复杂的环境，这降低了灵敏度，并且对于每个浅NV中心是独特的。为了避免环境的不利影响，我们应用基于反馈的量子最优控制。我们首先展示了如何直接搜索可以提高初始化/读出过程。在第二步中，我们优化微波脉冲的脉冲光检测磁共振（ODMR）和拉姆齐测量。在整个灵敏度优化中，我们专注于对控制场幅度误差的鲁棒性。这一特性不仅保护了协议的灵敏度不受漂移的影响，而且还扩大了传感体积。所得的ODMR测量产生低于1 $μ$ T\，Hz $^{-\frac{1}{2}}$的灵敏度，控制功率降低83%，鲁棒性增加约三分之一。优化的Ramsey测量产生的灵敏度低于100“，nT”，Hz $^{-\frac{1}{2}}$，给出了两倍的灵敏度改进。与通过单NV磁力测量获得的典型灵敏度相同，所提出的优化策略的补充鲁棒性可以为其他基于NV的应用提供优势。
2022-07-19 quant-ph
Entanglement-enhanced optical magnetometry beyond the standard quantum limit
Niels Bohr Institute, University of Copenhagen（尼尔斯·玻尔研究所，哥本哈根大学）；Institut Langevin, ESPCI Paris, Université PSL, Sorbonne Université, Université Paris Cité, CNRS（朗之万研究所，巴黎高等物理化工学院，巴黎文理研究大学，索邦大学，巴黎西岱大学，法国国家科学研究中心）；INFN, Sezione di Padova（意大利国家核物理研究所，帕多瓦分部）
该研究针对光学原子磁强计受标准量子极限限制的问题，利用纠缠态与变分读出技术，在宽声学频率范围内实现了超越标准量子极限的灵敏度。
2026-08-10 physics.atom-ph quant-ph
Amplified Quantum Dynamics and Enhanced Parameter Sensitivity via Coherent Feedback in Collective Atomic Spin Systems
研究了大自旋原子系统中双通远失谐激光探针的有效动力学。原子-场相互作用的最终结果是一种相干正反馈，它放大了选定的自旋观测值。提出了一个有效的原子系统的运动方程，并建立了一个近似的双参数动力学模型，该模型为在典型的实验室条件下模拟N>>1原子的超大自旋系统提供了一种可行的方法。将由正反馈产生的非线性动力学与原子自旋的连续观测相结合，提供了量子参数估计的改进。我们通过量子Cramer-Rao不等式分析我们的系统，探索了在不需要任何明显的自旋压缩的情况下，在原子磁力测量中达到海森堡不确定度标度的可能性。最后，我们开发了一个现实的量子参数估计原子磁力计，是基于一个双参数的家庭高斯状态，并通过数值模拟研究这种估计的性能。在这样做时，我们确定了几个问题，如数值收敛和估计偏差的减少，必须解决的问题时，将我们的参数估计方法纳入到一个实际的实验室设置。
2009-05-07 quant-ph
Single-quadrature quantum magnetometry in cavity electromagnonics
提出了一种腔量子电磁学中的超灵敏磁力计方案，其中腔内微波模通过磁偶极相互作用与磁振子模耦合。结果表明，通过外加经典场驱动磁振子模和微波模，并控制系统参数，可以将磁场测量的附加噪声降低到标准量子极限（SQL）以下。令人惊讶的是，我们表明，除了旋转波近似（RWA），不仅可以抑制增加的噪声，而且输出腔对输入信号的响应可以大大放大，以实现精确的磁场测量。所提出的磁共振传感器的估计理论灵敏度大约是在$10^{-18}T/\sqrt{Hz}$的顺序，这是有竞争力的相比，目前国家的最先进的磁力计，如超导量子干涉器件（SQUID）和原子磁力计。与其他磁力计相比，所提出的传感器的优点是其在室温下的高灵敏度和在高达MHz的宽频率范围内的感测以及其信号响应放大的能力。
2021-05-29 quant-ph
Ultrasensitive Magnetometer Using a Single Atom
精密传感，特别是高精度磁力测量，是量子技术研究的核心目标。对于磁力计，通常在灵敏度、空间分辨率和频率范围之间存在权衡。磁力测定的精确度以及灵敏度与起关键决定因素作用的感测系统的相位相干时间$T_2$成$1/\sqrt {T_2}$的比例。适应的动态解耦方案，允许扩展$T_2$的数量级和合并它与磁传感协议，我们实现了测量灵敏度，即使是接近标准量子极限的高频领域。使用一个单一的原子离子作为传感器，我们在实验上达到了$4.6$ pT $/\sqrt{Hz}$的灵敏度为交流磁场近14 MHz。基于这里所展示的原理，这种前所未有的灵敏度与纳米范围内的空间分辨率和从直流到千兆赫范围的可调谐性相结合，可用于尚未达到的参数制度中的磁成像。
2016-06-18 physics.atom-ph quant-ph
Optimized Single-Crystal Diamond Scanning Probes for High Sensitivity Magnetometry
金刚石中的带负电荷的氮空位中心（NV）形成了用于量子传感应用的通用系统。将这种原子大小的缺陷的有利性质与诸如原子力显微镜（AFM）的扫描探针技术相结合，使得能够对例如磁场进行纳米级成像。为了形成扫描探针装置，我们将单个NV浅地（即，< 20 nm）放置在金刚石纳米柱的顶面下方，所述金刚石纳米柱位于通常低于1 μm厚度的薄金刚石平台上。该装置可以连接到AFM头上，形成良好的扫描探针针尖。此外，它同时影响位于内部的NV的可收集的光致发光（PL）率。特别是使用连续光学检测磁共振（ODMR）的感测协议受益于增强的可收集PL率，从而提高了可实现的灵敏度。这项工作提出了一组全面的模拟，以量化设备几何形状对单个NV的可收集PL率的影响。除了几何参数（如支柱长度，直径和平台厚度），我们还专注于制造的不确定性，如NV的确切位置或不完美的蚀刻所引入的支柱的锥形几何形状。作为最后一步，我们使用这些单独的结果来优化我们当前的设备几何形状，与散装金刚石相比，可收集PL率实际增加了13倍，与未优化的设备相比增加了1.8倍。
2018-08-08 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Ultrasensitive magnetic field detection using a single artificial atom
磁场的有效检测是许多研究领域的核心，并且具有从材料科学到地磁学的重要实际应用。高灵敏度探测器通常使用直流超导量子干涉装置（DC-SQUID）或原子系统构建。在这里，我们使用单个人工原子来实现具有微米范围的尺寸的磁敏磁力计。人造原子是一个低温超导二能级系统，以类似于原子磁力测量的方式运行。这种高灵敏度是由于量子相干性和对磁场的强耦合。通过采用投影测量，我们获得了$2.7\, \t{pT}/\sqrt{\t{Hz}}$在10 MHz的灵敏度。我们讨论可行的改进，将增加灵敏度超过一个数量级。这种方法的固有灵敏度在100 kHz - 10 MHz的范围内的交流领域相比，毫不逊色的DC-SQUID和原子磁力计的等效空间分辨率。这一结果说明了人工量子系统在灵敏检测和相关应用方面的潜力。
2013-01-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Towards Quantum Limited Spatial Resolution of NV-Diamond Magnetometry
Wyant College of Optical Sciences, University of Arizona（亚利桑那大学怀特光学学院）；Electrical and Computer Engineering, University of Maryland（马里兰大学电气与计算机工程系）；Department of Electrical Engineering, Indian Institute of Technology Bombay（印度孟买理工学院电气工程系）
提出基于光学空间模式解复用的两阶段传感协议，通过PAD和YKL空间模式增强亚衍射尺度下NV色心的定位和亮度估计，实现量子最优的亮度估计，在亚衍射ODMR和Rabi实验中定位精度提升6倍，亮度估计精度提升2倍。
2026-06-16 physics.optics quant-ph
Electromagnetically induced transparency on a single artificial atom
我们提出了一个宏观的人工“原子”（超导量子系统）耦合到开放的一维空间的传输线的电磁感应透明（EIT）的实验观察。与具有许多原子的光学介质不同，一维空间中的单原子EIT表现为对电磁波反射的抑制，而不是吸收。所观察到的传播微波的反射和透射的几乎100%调制证明了单个人造原子的完全可控性和操纵原子状态的可能性。该系统可作为微波的可切换反射镜，在光子量子信息处理等领域具有良好的应用前景。
2010-04-14 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
A V-shape superconducting artificial atom based on two inductively coupled transmons
电路量子电动力学系统通常由谐振器和两级人工原子构成，但使用多级人工原子可以在量子技术中实现有前途的应用。在这里，我们提出了一个约瑟夫森结电路专用于操作作为一个V形人工原子的实现。基于两个内部自由度的概念，该器件由两个通过电感耦合的transmon量子比特组成。约瑟夫森非线性引入了两个自由度之间的强对角耦合，其在量子非破坏读出方案中以及在基于超导电路的微波交叉克尔介质的实现中找到应用。
2015-05-07 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Generation of genuine $χ$-type four-particle entangled state of superconducting artificial atoms with broken symmetry
提出了一种利用一维传输线谐振腔作为数据总线，产生具有对称性破缺的超导人工原子的$χ$型四粒子纠缠态的方案.我们所用的$Δ$型三能级人工原子不同于自然原子，具有循环跃迁。 经过适当时间的相互作用和简单的操作, 可以得到想要制备的纠缠态. 由于人造原子的激发态和光子态被绝热消除, 所以该方案对于人造原子的自发辐射和传输线共振器的衰减是鲁棒的.
2014-12-11 quant-ph
Nanoscale covariance magnetometry with diamond quantum sensors
金刚石中的氮空位（NV）中心是具有长自旋相干时间的原子级缺陷，可用于以高灵敏度和空间分辨率感测磁场。通常，通过对具有单个NV中心的许多连续测量进行平均来测量单个点处的磁场投影，或者通过对许多NV中心的集合进行空间平均来重构磁场分布。在对许多单NV中心实验求平均值时，两种技术都丢弃了信息。在这里，我们提出并实现了一种新的传感方式，即两个或更多的NV中心同时测量，我们提取的时间和空间的相关性，否则将无法访问的信号。我们解析地推导出存在环境噪声、量子投影噪声和读出噪声时的可测量两点相关器。我们表明，优化读出噪声是至关重要的测量相关性，我们实验证明测量相关的应用噪声使用两个NV中心的自旋-电荷读出。我们还实现了一个频谱重建协议，以解开本地和非本地噪声源，并证明了独立控制的两个NV中心可以用来测量的时间结构的相关性。我们的协方差磁测量方案在研究时空结构因子和动力学方面有许多应用，并开辟了纳米传感的新前沿。
2022-09-19 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Sensitive AC and DC Magnetometry with Nitrogen-Vacancy Center Ensembles in Diamond
通过定制金刚石生长、双量子序列和P1驱动，实现了迄今最灵敏的氮-空位块体磁强计，宽带直流灵敏度约460 fT·s^1/2，窄带交流灵敏度约210 fT·s^1/2。
2023-05-10 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.atom-ph
Correlated emission lasing in harmonic oscillators coupled via a single three-level artificial atom
单个超导人造原子为电磁场和光子的耦合提供了一个独特的基础，而这在自然原子中很难实现。使一对谐振子与三能级原子的跃迁共振，将原子的自发过程转化为关联发射动力学。我们研究了通过完全可控的三能级原子耦合的谐振子的双模关联辐射激光。两种不同颜色发射的相关性揭示了其本身为同样窄的谱线和它们的相互相扩散的猝灭。相互线宽比Schawlow-Townes极限窄四个数量级以上。不同颜色激光场之间的干涉表明双模光场是强相关的。
2015-11-24 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Natural and artificial atoms for quantum computation
使用自然和人造原子作为量子比特，实现量子计算已经取得了显着进展。本文简要概述了不同类型量子比特的现状。一方面，自然原子（如中性原子和离子）具有较长的相干时间，可以存储在大阵列中，提供理想的“量子存储器”。另一方面，人造原子（如超导电路或半导体量子点）具有定制设计功能的优势，可以用作“量子处理单元”。自然和人造原子可以相互耦合，也可以与光子进行长距离通信。由天然/人造原子和光子制成的混合设备可能为量子计算机提供下一代设计。
2011-08-23 quant-ph
Driving forbidden transitions in the fluxonium artificial atom
由于原子服从不同的可能对称性，原子系统显示出丰富多样的量子动力学。这些对称性导致了对原子系统的量子控制至关重要的选择规则。超导人造原子主要由宇称对称性控制。其相应的选择规则限制了可以使用电磁电路在其最佳相干操作点（“甜蜜点”）构建的量子系统的类型。在这里，我们使用人工原子和它的读出谐振器之间的三阶非线性耦合来驱动由奇偶选择规则禁止的跃迁，以线性耦合到微波辐射。一个λ型系统出现在这些新的可访问的过渡，在这里实现的fluxonium人工原子耦合到它的“天线”谐振器。我们证明了相干操纵的磁通人工原子在其甜蜜点受激拉曼跃迁。这种类型的跃迁使得能够创建新的量子操作，例如控制和读出物理保护的人工原子。
2018-05-31 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con physics.atom-ph
Resonance Fluorescence of a Single Artificial Atom
开放空间中的原子可以通过电磁波的共振吸收和再发射来检测，称为共振荧光，这是量子光学的基本现象。本文报道了单个人工原子对传播波的散射的观测结果。人工原子是一个超导的宏观二能级系统，其行为与量子光学中一维开放空间中点状散射体与电磁场相互作用的预言在定量上是一致的。在传播波的高度消光中揭示的强原子-场相互作用将允许可控人造原子在量子光学和光子学中的应用。
2010-02-26 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con physics.optics
Mixing of coherent waves on a single three-level artificial atom
我们报道了在开放空间中通过单个人造原子上的三波混频实现千兆赫范围内的相干频率转换。所有的频率都在三能级原子跃迁频率附近。因此，能级的循环配置至关重要，我们已经使用基于通量量子位几何的人造原子实现了这一点。原子在两个跃迁频率下被连续驱动，我们直接测量了和频或差频的相干辐射。我们的方法能够在量子电子学的未来设备的相干转换成在一个设计的频率相干发射的传入字段。
2018-09-17 quant-ph
Artificial abelian gauge potentials induced by dipole-dipole interactions between Rydberg atoms
我们分析了里德伯原子间的偶极-偶极相互作用对阿贝尔人工规范势和场产生的影响。当两个里德伯原子被均匀激光场驱动时，我们证明了原子-原子和原子-场的相互作用产生了新的、非均匀的人工规范势。我们确定的机制负责这些规范的潜力的出现。后者的分析表达式表明，最强的人工磁场达到的制度之间的偶极封锁制度和制度，其中原子是足够远的距离，使原子-光相互作用占主导地位的原子-原子相互作用。讨论了由共振偶极-偶极相互作用和范德华相互作用产生的人工规范场的异同。我们也给出了一个估计实验上可达到的人工磁场产生这种机制，我们讨论了它们的检测通过偏转的原子运动。
2013-12-05 physics.atom-ph quant-ph
Artificial atoms can do more than atoms: Deterministic single photon subtraction from arbitrary light fields
我们研究了光子与人工原子相互作用的相互作用，在存在一个受控的退相。这种由多个独立散射体组成的人工原子可以表现出优于单个原子的显著性质，其中一个突出的例子是基于里德伯阻塞的超原子。我们证明了诱导的退相允许从任意入射探测场控制单个光子的吸收。这种独特的光子-物质相互作用工具为构建新型量子器件开辟了一条道路，并提出了几种潜在的应用，如单光子晶体管，高保真n光子计数器，或通过光子减法创建非经典光态。
2011-03-07 quant-ph
Coherent manipulation of noise-protected superconducting artificial atoms in the Lambda scheme
本文提出了一种在没有直接泵浦耦合的情况下操纵三能级人工原子的新方案。它允许在高噪声保护的超导人造原子中进行类似于受激拉曼绝热通道（$Λ$ -STIRAP）的忠实、选择性和鲁棒的布居转移。它将双光子泵浦脉冲的使用与适当的先进控制相结合，通过缓慢调制外部场的相位来操作，利用半经典微波驱动器的稳定性。该协议是复杂量子架构中新任务的构建块。它的演示将成为在基于人造原子的系统中实现量子计算和微波量子光子学的一类多级高级控制程序的基准。
2016-05-28 quant-ph
