Single-shot conditional displacement gate between a trapped atom and traveling light
Faculty of Science and Engineering, Waseda University（早稻田大学理工学部）；RIKEN Center for Quantum Computing (RQC)（理化学研究所量子计算中心）；Corporate Laboratory, Toshiba Corporation（东芝公司企业实验室）；Centre for Quantum Technologies, National University of Singapore（新加坡国立大学量子技术中心）；Department of Materials Science and Engineering, National University of Singapore（新加坡国立大学材料科学与工程系）
本文提出利用光学腔实现单次条件位移门，通过原子与光子的协同驱动实现混合系统通用控制，同时推导了包含腔体损耗和原子衰减的简洁门模型。
2025-10-09 physics.atom-ph quant-ph
To Cool, or Not to Cool? Displacement Sensing with Hot Quantum States
Palacký University（帕拉茨基大学）
研究是否必须将振子冷却到近基态才能实现量子增强位移传感，发现通过压缩、数升和薛定谔猫态生成的热量子态，利用宇称选择和相干叠加机制，可在无基态初始化下实现灵敏位移探测。
2026-06-12 quant-ph
Adiabatic Sensing Technique for Optimal Temperature Estimation using Trapped Ions
我们提出了一个绝热的方法，最佳声子温度估计使用囚禁离子，可以操作超出Lamb-Dicke制度。量子传感技术依赖于声子模式的随时间变化的红边带跃迁，通常由非线性Jaynes-Cummings模型描述。我们的传感技术的一个独特的特点是，声子的热分布的相关信息可以转移到集体自旋自由度。我们表明，每个热态概率是示意性地映射到各自的集体自旋激发配置，因此，温度估计进行简单地通过在绝热过渡结束时进行自旋相关的激光荧光测量。我们用Fisher信息描述了温度不确定性，并证明了在热平衡时，态投影测量饱和了量子振子的基本量子Cramér-Rao界.
2020-12-16 quant-ph
Entangling-gate error from coherently displaced motional modes of trapped ions
捕获离子量子计算中的纠缠门主要针对具有初始运动分布的静止离子，所述初始运动分布是热的并且接近于基态。然而，未来的系统将可能由于例如以下原因而引起显著的非热激励，离子传输、更长的操作时间和阱阵列的增加的空间范围。在本文中，我们分析了这种相干运动激发对纠缠门误差的影响，通过对一对被困离子量子比特进行Molmer-Sorenson（MS）门的模拟，其中热激发和相干激发都存在于门开始时的共享运动模式中。我们发现，少量的相干位移显着侵蚀门的性能在实验噪声的存在下，我们证明，只施加有限的控制相位的位移可以抑制这种错误。然后，我们使用的实验数据，从传输离子的MS门误差在现实条件下的相干位移的影响进行分析。
2021-09-10 quant-ph
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
Recovering correlations in optomechanical heterodyne spectra for high-precision quantum displacement sensing
零差和外差检测代表了使用光学腔的量子位移感测的“双支柱”，已经允许重大突破，包括检测引力波和量子基态冷却机械振荡器的运动。两者在量子光学力学中作为诊断都可能存在缺点，要么通过对称化（零差），要么通过相关性的损失（外差）。我们表明，对于适度的外差拍频（$Ω\sim ω_M/10 \gg Γ$），明智的建设的测量电流的自相关可以恢复（i）频谱具有较强的边带，但没有不精确的噪声基底（ii）频谱是一个混合的，结合零差和外差边带功能。我们用随机数值模拟了实验实现，并发现与分析量子噪声谱非常一致。我们将这种丢失的外差相关性的回顾性恢复称为“r-外差”：由于该方法仅涉及正常外差时间信号的后处理，因此除了对$Ω$的幅度的限制之外，没有额外的实验限制。
2017-04-19 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
Enhanced quantum sensing with multi-level structures of trapped ions
我们提出了一种检测交流磁场的方法。该方法是基于一个强大的量子比特的应用程序的连续驱动领域的建设。具体地，驱动场的磁噪声和功率波动不在鲁棒量子比特子空间内操作，因此，实现了对外部和控制器噪声的鲁棒性。我们考虑通过偶极跃迁基于捕获离子的实现，这与几种类型的离子有关，例如$^{40}{\rm{Ca}}^{+}$、$^{88}{\rm{Sr}}^{+}$和$^{138}{\rm{Ba}}^{+}$离子。考虑到实验误差，我们得出结论，与裸态的相干时间相比，鲁棒量子比特的相干时间可以提高高达$\sim 4$数量级。我们展示了如何利用强大的量子比特来检测交流磁场，从而提高$\sim 2$的灵敏度。此外，我们提出了一种基于微波的传感方案，适用于具有超精细结构的离子，如$^{9}{\rm{Be}}^{+}$、$^{25}{\rm{Mg}}^{+}$、$^{43}{\rm{Ca}}^{+}$、$^{87}{\rm{Sr}}^{+}$、$^{137}{\rm{Ba}}^{+}$、$^{111}{\rm{Cd}}^{+}$、$^{171}{\rm{Yb}}^{+}$和$^{199}{\rm{Hg}}^{+}$离子。该方案使得能够在GHz水平上增强对高频场的感测。
2017-07-12 quant-ph
High-precision force sensing using a single trapped ion
我们介绍了量子传感计划，用于测量非常弱的部队与一个单一的囚禁离子。他们利用激光-离子相互作用引起的自旋-运动耦合将相关的力信息传递到自旋自由度上。因此，力的估计可以简单地通过观察离子自旋态的Ramsey型振荡来进行。考虑了三种量子探针，它们分别由服从Jaynes-Cummings模型、量子Rabi模型（一维）和量子Jahn-Teller模型（二维）的系统表示。通过在Jaynes-Cummings和Jahn-Teller模型中使用动态解耦方案，我们的力传感协议可以对由热和磁场波动引起的自旋退相具有鲁棒性。在量子拉比探针中，剩余的自旋-声子耦合消失，这使得该传感协议对热诱导的自旋退相自然鲁棒。我们表明，所提出的技术可用于感测的力的轴向和横向分量的灵敏度超出yN $/\sqrt{\text{Hz}}$范围，即在xN $ /\sqrt{\text{Hz}}$（xennonewton，$10^{-27}$）。特别是Jahn-Teller协议可以用于实现用于测量超低电压的双通道矢量频谱分析仪。
2016-02-12 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
Quantum displacement sensing and cooling in 3D levitated cavity optomechanics
超高灵敏度检测腔光学力学中的量子尺度位移，优化了测量反作用和输入量子噪声的不精确性的组合误差。这设置了众所周知的标准量子限制（SQL）。普通量子腔光学力学允许沿着腔轴的单个自由度的冷却和检测。然而，最近的一项突破允许悬浮纳米颗粒的量子基态冷却[Delic等人，arxiv：1911.04406]，其特征是独特的3D，沿着$x$、$y$和$z$轴耦合。我们调查目前的实验，并表明，基本的行为是远离独立的1D组件和接地状态的冷却和传感分析必须考虑-到目前为止被忽视的- 3D杂交效应。我们研究了额外的3D光谱贡献，并发现直接和间接的杂交途径可以破坏性地干扰在某些参数下抑制3D效应，以接近并可能超过SQL。我们确定了一个交感神经冷却机制，可以增强冷却较弱的耦合模式，所产生的光学机械诱导的相关性。
2019-11-28 quant-ph
Steady-State Force Sensing with Single Trapped Ion
提出了一种利用由单自旋和量子振子组成的量子探针在集体耗散作用下探测时变弱力的方案。我们研究了在稳态状态下的力估计，其中的力的信息是通过测量可观察的振荡器，如正交和平均声子激发。我们量化的力的灵敏度方面的量子费舍尔信息，并表明，它发散接近临界自旋玻色子耦合使系统敏感的非常小的力的扰动。我们表明，接近临界耦合的振荡器正交的测量是最佳的饱和的基本Cramer-Rao界的意义。此外，我们研究了声子压缩存在下的力估计，并表明它可以显着提高灵敏度，达到最小可检测力的数量级为xN（1 ${\rm xN=10^{-27}{\rm N}}$）。
2019-05-31 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
Rotation sensing with trapped ions
我们提出了一个协议，通过物质波Sagnac干涉术使用捕获的离子来测量旋转。该陷阱允许干涉仪通过Sagnac几何形状中的重复往返在紧凑的装置中封闭大面积。我们展示了如何使用均匀的磁场在大的动态范围内关闭干涉仪的旋转速度和测量带宽，而不会失去对比度。由于这种技术不需要将离子限制在Lamb-Dicke区域，因此具有许多声子的热态应该足以用于操作。
2016-09-02 physics.atom-ph quant-ph
Continuous-variable graph states for quantum metrology
图态是量子信息处理的唯一资源，例如基于测量的量子计算。在这里，我们从理论上研究使用连续变量图形状态进行单参数量子精密测量，包括相位和位移传感。我们确定了两种传感模式的最佳图形状态，并表明，海森堡缩放的相位和位移传感的精度可以实现与本地零差测量。
2020-10-21 quant-ph
Sensing and Control of Single Trapped Electrons Above 1 Kelvin
该研究利用超导共面波导谐振器，在1 K以上实现液氦表面单电子陷阱的空间控制与电荷读取，并验证了经典谐振子耦合模型。
2024-12-04 quant-ph
Distributed Phase-Insensitive Displacement Sensing
Palacký University（帕拉茨基大学）；ETH Zürich（苏黎世联邦理工学院）
本研究提出一种分布式量子传感方法，通过多模式态的联合奇偶性实现相不敏感位移估计，克服标准量子极限并提升灵敏度。
2026-02-03 quant-ph
Quantum Model of Cooling and Force Sensing With an Optically Trapped Nanoparticle
光学捕获纳米粒子最近出现了令人兴奋的候选人测试的量子力学在宏观尺度和作为多功能平台的超灵敏度计量。最近的实验已经证明了参数反馈冷却，非平衡物理和温度检测，都在经典制度。在这里，我们提供了第一个量子模型被困纳米粒子冷却和力传感。与现有的理论相比，我们的工作表明，纳米机械基态可以在不使用光学谐振器的情况下制备;冷却机制对应于非线性摩擦;并且冷却过程中的能量损失在时间上是非指数的。我们的研究结果与实验数据在经典极限下表现出很好的一致性，并为旨在制备基态的实验提供了一个基本的理论框架。我们的理论还解决了力感测的优化和基本量子极限，从而为使用悬浮纳米粒子进行超弱力的持续搜索提供了理论方向。
2015-12-14 physics.optics quant-ph
Geometric quantum gate for trapped ions based on optical dipole forces induced by Gaussian laser beams
我们提出了一个量子逻辑门的实现通过内部状态依赖的位移的离子在一个线性的保罗陷阱所造成的光学偶极力。基于系统动力学的一般量子分析，我们考虑碱土金属离子的具体实现。对于实验上真实的参数，可以获得低至$10^{-4}$的门不稳定性。
2004-06-25 quant-ph
Sensing microwave photons with a Bose-Einstein condensate
研究了磁囚禁的铷原子玻色-爱因斯坦凝聚体与共面波导谐振腔维持的稳态微波辐射场的相互作用。这种耦合允许通过计数由于到非捕获状态的超精细跃迁而从冷凝物中掉出的原子来测量谐振器的磁场。我们确定的量子效率，这种检测方案，并表明，弱微波场在单光子水平可以感测到的积分时间的顺序为一秒。
2018-11-23 quant-ph
Compressed-sensing Lindbladian quantum tomography with trapped ions
针对量子系统动力学表征测量多、计算耗时的问题，提出两种Lindbladian量子层析成像改进方案，线性化最大似然估计并结合压缩感知，在囚禁离子实验中验证了效果。
2024-03-12 quant-ph
Quantum sensing of displacements with stabilized GKP states
本文展示了利用稳定化GKP态协议进行双正交位移传感，灵敏度接近多变量量子Cramer-Rao界，该传感器能规避反作用且无需重置即可连续工作，数值模拟证明其能无条件超越高斯极限，为量子计量学提供了新方法。
2025-06-25 physics.app-ph physics.ins-det physics.optics
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
Optical super-resolution sensing of a trapped ion's wave packet size
我们展示了一个单一的捕获离子的波包的大小的超分辨率光学传感。我们的方法扩展了众所周知的基态耗尽（GSD）技术的相干制度。在这里，我们使用一个空心光束强烈饱和相干驱动偶极禁戒跃迁周围的子衍射限制区域在其中心和观察状态相关的荧光。通过空间扫描这个激光束在一个单一的捕获$^{40}\mathrm{Ca}^+$离子，我们能够测量冷却离子的波包大小。使用耗尽束腰的$4.2(1)\,μ$米，我们达到了空间分辨率，使我们能够确定一个波包大小为$39(9)\,$ nm的近基态冷却离子。该值与独立推导的$32(2)\,$ nm值相匹配，该值由解析边带光谱测量计算得出。最后，我们讨论了我们的适应GSD成像技术的最终分辨率限制，直接量子波包成像的应用。
2021-10-07 physics.optics quant-ph
Amplitude sensing below the zero-point fluctuations with a two-dimensional trapped-ion mechanical oscillator
我们提出了一种技术来测量的$\sim$ 100离子的二维离子晶体的质心（COM）运动的幅度。通过在远离COM谐振频率的频率下感测运动，我们通过实验确定了该技术的测量不精确度。我们解决振幅小至50 pm，40倍小于COM模式零点波动。该技术采用自旋相关的光偶极力将机械振荡耦合到被捕获离子的电子自旋，从而能够通过读出自旋状态来测量COM运动的一个正交。我们证明了灵敏度限制设置自旋投影噪声和自旋退相干由于非共振光散射。当在与COM模式频率的共振上执行时，这里所展示的技术可以使得能够检测极弱的力（$< \,$ 1 yN）和电场（$< \,$ 1 nV/m），从而提供探测量子传感极限和搜索超出标准模型的物理的机会。
2017-06-30 physics.atom-ph 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
Continuous Force and Displacement Measurement Below the Standard Quantum Limit
量子力学规定物理测量的精度必须受到某些约束。在干涉位移测量的情况下，这些限制强加了一个“标准量子限制”（SQL），它最佳地平衡了测量的精度与其不必要的反作用。为了超越这个极限，必须设计出更复杂的测量技术，要么“避免”测量的反作用，要么巧妙地消除检测器上不需要的噪声。自SQL建立以来的半个世纪里，从LIGO到超冷原子和纳米机械设备的系统已经将位移测量推向了这一极限，各种子SQL技术已经在原理验证实验中进行了测试。然而，到目前为止，没有实验系统已经成功地证明了一个干涉位移测量的灵敏度（包括所有相关的噪声源：热，反作用，和不精确度）低于SQL。在这里，我们利用强量子相关性在超相干光机械系统，以证明非共振力和位移灵敏度达到1.5dB以下的SQL。这在机械量子传感中实现了一个突出的目标，并且进一步增强了将这种器件用于最先进的力传感应用的前景。
2018-09-27 quant-ph
Generation of Kerr non-Gaussian motional states of trapped ions
非高斯态是连续变量体系中量子信息协议的一个重要资源。猫状态，特别是，已被困离子的运动自由度的离子内部状态依赖于控制位移。另一种方法利用了这种系统中自然存在的克尔非线性。我们提出了详细的计算确认其可行性的典型实验条件。此外，该方法允许产生具有负维格纳函数的复杂非高斯态。特别是，许多相干态的叠加是在一小部分的时间内产生猫态。
2011-05-24 quant-ph
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
Vibrational parametric arrays with trapped ions: non-Hermitian topological phases and quantum sensing
本研究提出受局部参量调制和激光冷却的捕获离子线性阵列模型，通过调制相位打破时间反演对称性诱导拓扑放大效应，基于非厄米点隙拓扑绕数确定拓扑相，可实现超弱力和电场的量子传感，灵敏度达1 yN·Hz$^{-1/2}$。
2025-02-10 physics.atom-ph quant-ph
Interaction Between an Optically Levitated Nanoparticle and Its Thermal Image: Internal Thermometry via Displacement Sensing
我们提出并从理论上分析了一个实验，其中在表面前的光悬浮纳米颗粒的位移传感可以用来测量纳米颗粒和其热图像之间的诱导偶极-偶极相互作用。这是通过使用对捕获光透明但对红外辐射反射的表面来实现的，其反射率可以被时间调制。这种偶极-偶极相互作用依赖于由二氧化硅纳米颗粒发射的热辐射，其具有足够的时间相干性以使反射的辐射与偶极的热波动相关。所产生的力比热梯度力强几个数量级，并且对于大于两微米的颗粒到表面的距离，它强烈地取决于纳米颗粒的内部温度。我们认为，使用表面前悬浮纳米颗粒的位移传感作为内部温度计在实验上是可行的。实验访问的内部物理的悬浮纳米粒子在真空中是至关重要的理解的限制，退相干造成目前的努力致力于制备纳米粒子在宏观量子叠加态。
2023-02-10 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Optical sensing of magnons via the magnetoelastic displacement
我们展示了如何测量一个铁磁体或亚铁磁体，如钇铁石榴石的静磁模式中的稳态磁振子人口。我们采用光机械的方法，并利用铁磁体的磁弹性。磁致伸缩力将磁振子分散地耦合到铁磁体的变形位移，其与磁振子布居成比例。通过进一步将机械位移耦合到由弱激光谐振驱动的光学腔，可以通过测量光场的相位正交来感测磁致伸缩引起的位移。对于不太大的粒子数，相位显示出对磁振子粒子数的极好的线性依赖性，因此可以用作测量磁振子粒子数的“磁力计”。我们进一步研究了热噪声的影响，发现即使在室温下也有很高的信噪比。在低温下，磁振子激发数的分辨率基本上受到相位真空涨落的限制，这可以通过使用压缩光来显著改善。
2022-01-20 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Optimal single-mode squeezing for beam displacement sensing
针对光束横向位移传感问题，提出紧凑三模式相互作用框架，联合优化空间模式与压缩-相干振幅平衡，发现双模零差接收机在高能极限下渐近最优，为多模线性损耗环境下的量子最优探针识别提供策略。
2025-09-14 cs.IT math.IT 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
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
Ultrasensitive force and displacement detection using trapped ions
检测极小力的能力对于各种学科至关重要，包括精密自旋共振成像，显微镜和基本物理现象的测试。通过将微或纳米制造的机械谐振器耦合到包括单电子晶体管、超导微波腔和单个自旋的各种物理系统，当前力检测灵敏度极限已经超过1 $aN/\sqrt{Hz}$（atto $=10^{-18}$）。这些实验允许探测研究的各种现象，但灵敏度的要求不断增加，作为新的制度的物理相互作用被认为是。在这里，我们表明，被困的原子离子是非常敏感的力探测器，测量的灵敏度超过三个数量级优于现有的报告。我们证明检测力小至174 $yN$（yocto $=10^{-24}$），灵敏度为390 $\pm150$ $yN/\sqrt{Hz}$，使用晶体的$n=60$ $^{9}$是$^{+}$离子在潘宁陷阱。我们的技术是基于正常的运动模式在离子阱中的外部施加的电场，检测通过和相位相干多普勒测速仪，它允许歧视的离子运动与纳米尺度上的振幅的激发。这些实验结果和提取的力检测灵敏度在单离子极限验证建议，表明捕获的原子离子能够检测力的灵敏度接近1 $yN/\sqrt{Hz}$。我们预计，这一演示将是一个新的类的可部署的捕获离子为基础的传感器的发展，并将允许科学家进入新的制度在材料科学的强烈动机。
2010-08-23 cond-mat.other physics.atom-ph physics.plasm-ph
Quantum theory for phonon lasing and non-classical state generation in mixed-species and single trapped ions
ETH Zürich（苏黎世联邦理工学院）；Institute for Quantum Electronics, ETH Zürich（苏黎世联邦理工学院量子电子学研究所）；Quantum Center, ETH Zürich（苏黎世联邦理工学院量子中心）；Paul Scherrer Institut (PSI)（保罗谢尔研究所）；Yale University（耶鲁大学）；Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF（弗劳恩霍夫应用固体物理研究所）；Harvard University（哈佛大学）
本文基于混合物种囚禁离子的声子激光理论，结合半经典平均场描述和全量子理论，推导出二阶相干函数表达式，验证了超阈值激光行为，并提出单离子声子激光方案，实现非经典态生成与高精度传感应用。
2026-04-20 quant-ph
Towards Improved Quantum Simulations and Sensing with Trapped 2D Ion Crystals via Parametric Amplification
提高相干性是量子模拟和捕获离子传感实验中的一个基本挑战。在这里，我们讨论，实验证明，并估计两种不同的协议，增强，通过运动参数激发，相干自旋运动耦合的离子获得与自旋相关的力的潜在影响。实验是在大约100个$^9$ Be $^+$离子的二维晶体阵列上进行的。通过在接近质心模式频率的两倍处调制捕获势，我们挤压运动模式并增强自旋-运动耦合，同时保持自旋相干性。使用频闪方案，我们测量了基态运动以下的运动压缩的$5.4 \pm 0.9$ dB，由此理论预测了使用最近证明的方案测量小位移的灵敏度的$10$ dB增强[Science $\textbf{373}$，673（2021）]。利用连续压缩方案，我们测量并精确校准了参数耦合强度。理论表明，该协议可以用于改善量子自旋压缩，在我们的系统中受到非共振光散射的限制。我们用数值方法说明了强参数放大和以质量中心频率波动形式出现的运动失相之间的权衡，以改善我们装置中的量子自旋压缩。
2023-03-29 physics.atom-ph quant-ph
Noise-Limited Sensitivity in Cavity Optomechanical Molecular Sensing Enabled by Quantum Zero-Point Displacement Coupling and Strong Photon-Phonon Interaction for Chiral Detection
本文提出多层混合等离激元-机械谐振器的量子极限光机械平台，利用零点运动与强光子-声子耦合实现亚皮牛力噪声下的手性分子实时区分。
2025-07-26 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Controlled Displacement of Stored Light at Room Temperature
Humboldt-Universität zu Berlin（柏林洪堡大学）；National Cheng Kung University（国立成功大学）；Ferdinand-Braun-Institut (FBH)（费迪南德·布劳恩研究所）
本研究在常温下实现了存储光脉冲的受控位移，通过干涉方案测量位移速度，拓展了量子记忆的应用范围，为高灵敏度速度测量提供了新方法。
2025-05-06 quant-ph
Atom-light entanglement for precise field sensing in the optical domain
由于腔模与原子系综的同时相互作用，囚禁在光学腔中的冷原子宏观阵列可以达到强的原子-光集体耦合机制。在最近的工作中，我们报告了一个协议，利用强大的和集体的原子-光相互作用的腔QED系统的精确电场传感在光域。在长寿命碱土原子的电流腔QED实验中，它能提供超过标准量子极限的$10$ - $20$ ~dB的增益。在这里，我们给出了一个更深入的讨论协议，使用精确的分析计算和数值模拟，并描述了精确的条件下，预测的增强后，彻底占光子损失和自发发射，在目前的实验中的自然退相干机制。这里提出的分析不仅用于基准的协议和它的效用在腔QED阵列，但也设置了所需的条件，其适用性在其他实验平台，如阵列的捕获离子。
2020-10-06 quant-ph
Realization of a quantum walk with one and two trapped ions
实验证明了在相空间中用一个和两个囚禁离子在一条直线上的量子行走。通过使离子经受与量子抛硬币操作交错的状态相关的位移操作，实现了多达23步的行走。为了分析每一步之后离子的运动状态，我们应用了一种技术，该技术直接将概率密度分布映射到离子的内部状态上。测量的几率分布和位置的二阶矩清楚地表明了量子行走的非经典特征。为了进一步突出经典（随机）和量子行走之间的区别，我们证明了后者的可逆性。最后，我们通过使用两个离子来扩展量子行走，使行走者有更多的可能性留下来，而不是迈出一步。
2010-02-16 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
Robust Noise Suppression and Quantum Sensing by Continuous Phased Dynamical Decoupling
提出连续相位动态去耦（CPDD）方法，通过离散相位变化的连续场实现鲁棒噪声抑制与高精度量子传感，并成功应用于纳米核磁共振，实现微赫兹频率估计精度。
2025-03-27 quant-ph
Robust two-qubit trapped ions gates using spin-dependent squeezing
纠缠门是量子计算机的重要组成部分。然而，以可扩展的方式生成高保真度门仍然是所有量子信息处理平台中的主要挑战。因此，提高这些门的保真度和鲁棒性一直是近年来的研究热点。在捕获离子量子计算机中，纠缠门是通过驱动离子链的正常运动模式来执行的，从而产生自旋相关力。尽管在提高这些门的鲁棒性和模块化方面取得了重大进展，但它们仍然对驱动场强度的噪声敏感。在这里，我们补充了传统的自旋相关的位移与自旋相关的压缩，这使得门是强大的驱动场的振幅偏差。我们解决了一般的哈密顿量和工程分析其频谱。我们还赋予我们的门其他，更传统的，鲁棒性的属性，使其弹性的噪声和不准确的许多实际来源。
2022-07-04 quant-ph
Materials Challenges for Trapped-Ion Quantum Computers
捕获离子量子信息处理器通过电场将信息存储在自由空间中保持在适当位置的原子离子中。量子逻辑通过使用光和微波信号操纵离子的内部和共享的运动量子态来实现。虽然被捕获的离子在量子增强计算、传感和通信方面表现出很大的潜力，但需要进行材料研究来设计陷阱，通过集成系统组件（包括用于离子量子位控制的光学和电子器件）来提高性能，同时最大限度地减少陷阱电极表面产生的几乎无处不在的电场噪声。在这篇综述中，我们考虑了这种集成系统的材料要求，重点是阻碍当前实际量子计算进展的问题。我们给出了材料科学家和捕获离子技术专家如何共同开发基于材料的集成和噪声缓解策略的建议，以实现下一代捕获离子量子计算机。
2020-09-02 quant-ph
Quantum-Enhanced Picostrain Sensing with Superconducting Qubits
Gümüşhane University（居米什哈内大学）
基于超导量子比特的量子增强微应变传感技术，利用多体纠缠和同频检测实现皮应变级别的高灵敏度检测，适用于纳米级材料表征和原位诊断。
2025-11-27 quant-ph
Three-Dimensional and Selective Displacement Sensing of a Levitated Nanoparticle via Spatial Mode Decomposition
School of Mathematical and Physical Sciences, Macquarie University（麦考瑞大学数学与物理科学学院）；ARC Centre for Engineered Quantum Systems (EQUS), Macquarie University（麦考瑞大学ARC工程量子系统中心）；Sydney Quantum Academy（悉尼量子学院）；School of Physics, The University of Sydney（悉尼大学物理学院）
本文提出了一种新的检测方法，通过空间模式排序显著提高了悬浮二极散射体三维位移的实时测量精度，该方法能够最小化损耗地选择性提取所有平移自由度的位置信息。
2026-05-17 physics.optics quant-ph
Near-field integration of a SiN nanobeam and a SiO$_2$ microcavity for Heisenberg-limited displacement sensing
将纳米机械物体放置在高$Q$光学微腔的消逝近场中，可以获得强梯度力和量子噪声限制的位移读出，为精密传感技术和基础量子光学研究提供了一个有吸引力的平台。然而，稳健地实现该平台是具有挑战性的，因为它需要通过$\lesssimλ/10$分离光学光滑表面。在这里，我们描述了一个完全集成的倏逝光纳米机械传感器的基础上的高应力Si $_3$ N $_4$纳米梁单片悬浮在一个SiO $_2$微盘腔。采用一种新的垂直集成技术的基础上平坦化的牺牲层，我们实现了小至25 nm的梁盘间隙，同时保持机械$Q\times f>10^{12}$ Hz和固有的光学$Q\sim10^7$。组合的低损耗、小间隙和平行平面几何形状导致异常有效的转导，其特征在于具有100 kHz的真空光机械耦合率的射频弯曲模式、超过1的单光子协同性和10 kHz（fm）/ $\surd$ Hz的零点频率（位移）噪声幅度。结合SiO $_2$的高功率处理能力和低外来衬底噪声，该传感器作为传感器工作得特别好。将其部署在4 K低温恒温器中，我们最近证明了在标准量子极限（SQL）下的位移不精确度低于40 dB，具有不精确反作用产品$<5\cdot\hbar$。在这份报告中，我们提供了一个全面的描述设备的设计，制造和表征，重点是扩展海森堡有限读出到室温。为此，我们描述了一个室温实验，其中实现了比SQL低30 dB的位移不精确度和不精确反作用积$…
2016-01-25 cond-mat.mes-hall physics.ins-det physics.optics
Optimal function estimation with photonic quantum sensor networks
本文针对光子量子传感器网络，推导了估计局域相移或正交位移线性函数均方误差的下界，证明并推广了相关猜想，并给出了达到最优的协议及纠缠量必要条件。
2024-03-20 quant-ph
Superposition of two-mode squeezed states for quantum information processing and quantum sensing
我们研究了双模压缩态的叠加，它在量子信息处理和量子传感中有潜在的应用。首先我们研究了这些非经典态的一些性质，如各模的统计特性和两模之间的纠缠度，它们可以比具有相同压缩度的TMSS更高。我们考虑的状态可以通过在双模和自旋$\tfrac{1}{2}$粒子的系统中诱导双模Jaynes-Cummings和反Jaynes-Cummings相互作用来制备，例如在捕获的离子域中，如这里所描述的。我们表明，当两个谐振子准备在两个TMSS的叠加，每个减少的单模状态可以有利地用于感测任意位移的模式在相空间中。这种约化态的维格纳函数在相空间原点有一个对称的峰值，它具有一个方便的特性，即随着平均光子数的增加，两个象限同时变窄。这个窄峰可以作为量子传感器的指针，它在相空间中的位置指示振荡器所经历的位移。
2021-02-01 quant-ph
Non-Hermitian skin effect in a single trapped ion
非厄米趋肤效应（NHSE）描述了非厄米系统中所有本征态向边界的指数局域化，近年来引起了人们的广泛研究兴趣。在这里，我们从理论上提出了一个方案，其中NHSE显着影响外部运动的一个单一的被困离子通过复杂的自旋运动动力学。一方面，我们展示了NHSE和相干Bloch动力学之间的竞争。另一方面，由于NHSE表现为非互易流占据声子模式，我们表明，这种动力学可以在冷却和传感的潜在应用。我们的建议可以很容易地实现使用现有的实验技术，并提供了一个可扩展的（在可用的离子和声子模式方面）相关的非厄米物理模拟平台。
2022-09-08 quant-ph
Scalable surface ion trap design for magnetic quantum sensing and gradiometry
Institute of Physics, University of Sindh（信德大学物理研究所）
本文提出了一种可扩展的表面保罗陷阱设计，利用离子作为超灵敏磁场探测器，实现亚毫米空间分辨率的磁场梯度精确测量。
2026-04-23 physics.atm-clus quant-ph
Quantum sensing
“量子传感“描述了使用量子系统、量子性质或量子现象来执行物理量的测量。量子传感器的历史例子包括基于超导量子干涉装置和原子蒸气的磁力计，或原子钟。最近，量子传感已经成为量子科学和技术领域内的一个独特且快速增长的研究分支，其中最常见的平台是自旋量子位、捕获离子和通量量子位。该领域有望在应用物理和其他科学领域提供新的机会--特别是在高灵敏度和精确度方面。在这篇综述中，我们从感兴趣的实验者的角度介绍了量子传感的基本原理、方法和概念。
2017-06-06 quant-ph
