Optical coupling to nanoscale optomechanical cavities for near quantum-limited motion transduction
作为量子实验和经典计量学的测试平台的芯片级腔光学机械装置的发展中的一个重大挑战在于将来自纳米级光学模体积的光耦合到传统的光学元件，例如透镜和光纤。在这项工作中，我们展示了一个高效率，单面光纤耦合平台的光机械腔。通过在光子晶体拉链腔和固定光纤之间引入一个绝热波导锥来实现单模转换，在腔谐振波长为1538nm处，实现了52%的腔内光子收集效率。在3.3 MHz的基本面内机械共振的位移波动的光学平衡零差测量表明，不精确的噪声地板在于一个因素的2.8以上的标准量子限制（SQL）连续位置测量，与预测的总增加噪声的1.4声子在最佳的探测功率。极低的测量噪声和强大的光纤对准的组合提出了对这些类型的集成微光机械腔的单声子灵敏度的重大进展。
2013-02-07 physics.optics quant-ph
Nanoscale optical positioning of single quantum dots for bright and pure single-photon emission
自组装外延生长的InAs/GaAs量子点是一种很有前途的半导体量子发射体，可以集成在芯片上，用于各种光子量子信息科学应用。然而，自组装生长导致量子点的基本上随机的面内空间分布，在创建利用具有高度受限的光学模式的单个量子点的强相互作用的器件方面提出了挑战。在这里，我们提出了一种光致发光成像方法，用于相对于对准特征定位单个量子点，平均位置不确定性< 30 nm（使用固体浸没透镜时< 10 nm），这代表了一种用于创建优化的单个量子点器件的技术。为此，我们创建了基于圆形布拉格光栅几何形状的量子点单光子源，其同时表现出高收集效率（48%+/-5%进入0.4数值孔径透镜，接近理论预测值50%）、低多光子概率（g（2）（0）<1%）和显著的Purcell增强因子（~ 3）。
2015-08-05 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Fourier Magnetic Imaging with Nanoscale Resolution and Compressed Sensing Speed-up using Electronic Spins in Diamond
使用金刚石中的氮空位（NV）色心的光学检测的磁共振是用于纳米级磁场成像的主要模式，因为其提供单电子自旋灵敏度、优于1 nm的三维分辨率以及在环境条件下对广泛的物理和生物样品的适用性。然而，迄今为止，NV-金刚石磁成像已经使用实空间技术来执行，实空间技术要么被光学衍射限制到250 nm分辨率，要么需要缓慢的逐点扫描以获得纳米级分辨率，例如，使用原子力显微镜、磁性尖端或超分辨率光学成像。在这里，我们介绍了一种替代技术的傅立叶磁成像使用NV-金刚石。与传统的磁共振成像（MRI）类似，我们采用脉冲磁场梯度对波数或k空间中NV电子自旋的空间信息进行相位编码，然后进行快速傅立叶变换，以产生具有纳米级分辨率、宽视场（FOV）和压缩传感加速的实空间图像。
2014-09-09 cond-mat.mes-hall quant-ph
Nanoscale magnetic resonance spectroscopy using a carbon nanotube double quantum dot
量子传感利用量子力学和量子控制的基本特征来实现传感设备，在从基础科学到应用技术的广泛科学领域中具有潜在应用。最终目标是将前所未有的灵敏度与出色的空间分辨率相结合的设备。本文提出了一种基于碳纳米管双量子点的全电纳米级量子传感新平台。我们的分析表明，该平台可以实现的灵敏度，允许单分子磁共振光谱的实施，因此打开了一个有前途的集成芯片上的量子传感设备的路线。
2019-08-13 cond-mat.mes-hall quant-ph
Nanoscale electric-field imaging based on a quantum sensor and its charge-state control under ambient condition
金刚石中的氮空位（NV）中心可以用作量子传感器，以纳米级分辨率成像磁场。然而，由于NV和电场之间的耦合强度相对较弱，迄今为止尚未实现纳米级电场映射。使用单个浅NVs，在这里，我们成功地定量成像电场的轮廓从一个尖锐的尖端的qPlus为基础的原子力显微镜（AFM），并实现了约10 nm的空间分辨率。通过这样的局部电场，我们展示了NV的电荷状态的电子控制，精度低于5 nm。这项工作代表了第一步纳米扫描电基于一个单一的量子传感器，并可能开辟新的可能性，定量映射本地电荷，电极化的强度，介电响应在一个广泛的光谱功能材料在纳米尺度。
2020-11-09 cond-mat.mes-hall quant-ph
A robust, scanning quantum system for nanoscale sensing and imaging
可控的原子尺度量子系统作为纳米成像和计量学的敏感工具具有巨大的潜力。可能的应用范围从纳米级电场和磁场传感到单光子显微镜、量子信息处理和生物成像。这种方案的核心是能够扫描和准确定位感兴趣样品的几纳米内的鲁棒传感器，同时保持传感器的量子相干性和读出保真度。这些组合的要求对于依赖于将单个固态量子系统或单分子直接接枝到扫描探针尖端上的所有现有方法来说仍然是一个挑战。在这里，我们展示了一个强大的和隔离的原子级量子传感器的扫描探针显微镜的制造和室温操作。具体来说，我们采用了高纯度，单晶金刚石纳米柱探针含有一个单一的氮空位（NV）的颜色中心。我们通过进行定量纳米级磁场成像和近场单光子荧光淬灭显微镜来说明我们的扫描NV传感器的多功能性和性能。在这两种情况下，我们获得的成像分辨率在20 nm的范围内和灵敏度前所未有的扫描量子探针显微镜。
2011-08-22 cond-mat.mes-hall quant-ph
Nanoscale Mach-Zehnder interferometer with spin-resolved quantum Hall edge states
我们实现了一个纳米尺度区域马赫-曾德尔干涉仪与共同传播的量子霍尔自旋分辨边缘状态，并证明了持续的门控量子干涉振荡，作为一个功能的应用磁场，在相对较大的温度。顶栅磁性纳米指阵列用于在自旋分辨边缘状态对之间诱导共振电荷转移。为了解释作为磁场和栅极电压的函数测量的振荡模式，我们已经开发了一个简单的理论模型，令人满意地再现数据。
2015-11-04 cond-mat.mes-hall quant-ph
Universal quantum computation based on nanoscale skyrmion helicity qubits in frustrated magnets
阻挫磁体中的Skyrmions具有螺旋度自由度，其中两种不同构型的布洛赫型Skyrmions在磁偶极-偶极相互作用下具有能量优势，并且具有相反的螺旋度。当一个skyrmion的半径达到纳米量级时，它必然成为量子力学的物体。基于阻挫磁体中布洛赫型纳米尺度skyrmion的双重简并性，我们构造了一个量子比特。结果表明，在多层体系中，基于纳米Skyrmion的普适量子计算是可能的。我们明确地展示了如何构建的$π/4$相移门，阿达玛门，和CNOT门。单量子比特量子门是通过在时间上控制电场和自旋电流来实现的。通过控制相邻两层Skyrmion中心之间的距离，利用Ising型交换耦合实现了双量子比特门。本机制的优点是不需要外部磁场。我们的结果可能会打开一个可能的方式，以通用的量子计算的基础上纳米级拓扑自旋纹理。
2022-04-10 cond-mat.mes-hall quant-ph
Quasi-Chiral Interactions between Quantum Emitters at the Nanoscale
我们提出了一个结合经典和量子电动力学描述的两个圆偏振量子发射器之间的耦合举行以上的金属表面支持表面等离子体。取决于它们的位置和它们的固有频率，发射极-发射极相互作用从互易性发展到非互易性，这使得该系统成为在纳米级手性耦合的高度可调平台。通过放松严格的材料和几何约束的手征，我们探讨了系统中的相干和耗散耦合机制之间的相互作用。因此，我们揭示了一个准手征制度，其中它的量子光学性质是由其subradiant状态，引起非常尖锐的光谱特征和强的光子相关。
2019-01-07 cond-mat.mes-hall quant-ph
All-optical Nanoscale Control of Photon Correlations: Dressed States Assisted Quantum Interference Effects
提出了一种利用混合量子等离子体系统控制光子统计的全光方案。借助于缀饰态辅助的量子干涉效应，证明了在泵浦场的控制下，信号场的光子关联可以从聚束连续调制到反聚束.除了精确的多模模型，单模模型和分析处理也提供了帮助我们确定多模耦合和量子干涉之间的概率振幅的作用。与腔量子电动力学方法相比，该方案即使在恶劣的腔极限下也能很好地工作。这些研究结果表明，这种复合系统提供了一个可行的纳米光子平台的光子统计的主动调制和未来的量子器件。
2018-04-06 quant-ph
Nanoscale Detection of Magnon Excitations with Variable Wavevectors Through a Quantum Spin Sensor
本文报道了利用近场氮空位（NV）单自旋传感器对磁性绝缘体Y3 Fe 5 O 12薄膜中具有宽波矢范围的磁振子的光学探测。通过多磁振子散射过程，激发的磁振子在NV电子自旋共振频率处产生起伏的磁场，这加速了NV自旋的弛豫。通过测量NV中心发射的自旋相关光致发光的变化，可以光学地访问具有高达~ 5 x 10^7 m-1的可变波矢的磁振子，从而提供另一种视角来揭示磁性系统中的潜在自旋行为。我们的研究结果突出了NV单自旋量子传感器在探索新兴自旋电子材料的纳米级自旋动力学提供的重要机会。
2020-04-23 cond-mat.mes-hall quant-ph
Quantum Synchronisation in Nanoscale Heat Engines
由于同步现象在经典世界中的普遍存在，研究它在量子系统中的行为是一个有趣的问题。虽然量子同步已经在许多系统中进行了研究，但缺乏与量子技术应用的明确联系。我们填补了这一空白，并表明，纳米级热机是一个自然的平台，研究量子同步，总是具有稳定的极限环。此外，我们证明了一个热机的功率和它的相位锁定性能之间的密切关系，通过证明同步的地方上的上限，可实现的稳态功率的发动机。最后，我们表明，发动机的效率设置一个点的浴温度同步消失。我们通过建立量子同步作为稳定相位相干的机制，将同步的物理现象与量子热力学的新兴领域联系起来。
2019-07-08 cond-mat.mes-hall quant-ph
Coherent optical and spin spectroscopy of nanoscale Pr3+:Y2O3
我们研究了单分散球形纳米颗粒形式的Pr 3+：Y2 O3的光量子技术的潜力。在1.4K下，我们测量了平均直径为400 nm和150 nm的粒子的1D 2（0）→ 3 H4（0）跃迁的27 GHz的光学非均匀谱线和108 kHz和315 kHz的光学均匀谱线宽度。此外，本文还首次用光谱烧孔法确定了Y_2O_3的基态和1D_2激发态超精细结构，并用完全的哈密顿量计算进行了模拟。基态自旋跃迁的能量为5.99 MHz和10.42 MHz，我们证明自旋不均匀线宽分别为42和45 kHz。在10.42MHz下，对于+-3/2-->+-5/2跃迁，获得了高达880微秒的自旋T2，该值超过了迄今报道的体Pr 3+掺杂晶体的自旋T2。这些有希望的结果证实纳米Pr 3+：Y2 O3作为一个非常有吸引力的候选人集成量子器件。特别是，我们在这里讨论的可能性，使用这种材料实现自旋光子接口发射难以区分的单光子。
2019-09-05 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Quantum thermodynamics: thermodynamics at the nanoscale
本文简要介绍了量子热力学，讨论了三个新课题：1）有限量子系统的最大功提取。热力学的预言失败了，一个新的、普遍的结果被推导出来，即“各向同性”。2)在从两个温度设置中提取功时，相关性的存在可以将有效效率推到卡诺界限之外。3)在存在水平交叉的情况下，非缓慢变化可能比缓慢变化更优。
2004-02-14 cond-mat.mes-hall cond-mat.stat-mech quant-ph
Anti-Stokes excitation of solid-state quantum emitters for nanoscale thermometry
固体中的色心是激光器、发光二极管和传感器等众多应用的基本组成部分，也是先进量子信息和通信技术的基础。它们的光致发光特性通常在斯托克斯激发下研究，其中发射的光子处于比激发光子低的能量。在这项工作中，我们探索相反的反斯托克斯过程，其中激发是用较低能量的光子进行的。我们报告说，这个过程是足够有效的激发甚至一个单一的量子系统，即锗空位中心的钻石。因此，我们利用温度依赖性，声子辅助机制，实现一个全光学纳米测温计划，优于任何同源光学方法采用的日期。我们的研究结果为探索孤立量子系统中的基本光-物质相互作用提供了一种有前途的方法，并将其用于实现实用的纳米温度测量和传感。
2018-10-11 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Skyrmion Qubits: A New Class of Quantum Logic Elements Based on Nanoscale Magnetization
我们介绍了一类新的原始积木实现量子逻辑元件的基础上纳米级磁化纹理称为skyrmions。在Skyrmion量子比特中，信息存储在量子螺旋度中，并且逻辑状态可以通过电场和磁场来调节，提供了具有高非谐性的丰富操作机制。通过探索一个大的参数空间，我们提出了两个skyrmion量子比特变量取决于它们的量子化状态。我们讨论了适当的微波脉冲产生单量子位门量子计算，和skyrmion多量子位计划的可扩展架构与定制的耦合。可扩展性、微波场的可控性、操作时间尺度和非易失性技术的读出会聚使得skyrmion量子比特作为量子处理器的逻辑元件非常有吸引力。
2021-08-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.str-el quant-ph
Consistent analytical solution of the time-dependent Schrödinger equation for nanoscale circuits with laser-assisted quantum tunneling
现在通常的做法是求解薛定谔方程，以估计在特定电位下两个金属电极之间的隧穿电流，或者通过假设入射、反射和透射波来估计通过势垒的透射。然而，我们认为，这些方法可能不适合纳米电路。在金属元素中，电子的自由路径可能长达68.2 nm，因此我们考虑了量子效应可能在整个纳米级电路中发生的可能性，包括连接。分析方法提出了通过一个封闭的电路的波函数的相干传输建模。
2020-06-08 quant-ph
Co-Design quantum simulation of nanoscale NMR
IQM Quantum Computers（IQM量子计算机）；Ludwig-Maximilians-Universität München（慕尼黑大学）；Department of Physical Chemistry, University of the Basque Country UPV/EHU（巴斯克大学物理化学系）
本文展示如何利用噪声中间尺度量子计算机模拟纳米级核磁共振共振，通过协同设计量子处理器减少超过90%的SWAP门数量，实现快速共振器重置。
2022-11-24 quant-ph
Comments on testing the violation of the Clausius inequality in nanoscale electric circuits
正确的热力学热力学定律，无论是经典的还是量子的，而不考虑统计量子力学的概率，对所有的系统都是有效的，无论是大的还是小的，包括只有一个自旋或一个粒子的系统。所以在纳米级电路中不会发生违规。
2007-06-19 quant-ph
Nanoscale Sensing and Quantum Coherence
小的固态量子比特，最突出的是固体中的单自旋，可以是从磁场到温度的各种物理量的显着传感器。他们将大块半导体的性能封装到纳米级器件中，有时小到单个原子。这篇评论是对这一概念的最低限度的介绍。它给出了一个简短的总结量子相干性，拉姆齐光谱和推导的“标准量子极限”的灵敏度，一个单量子比特传感器可以达到。它接着讨论了令人惊讶的改进，动态解耦带来了，并得出结论，展望该领域的主要前沿。
2019-06-11 quant-ph
Nuclear Spins in a Nanoscale Device for Quantum Information Processing
在纳米尺度的核磁共振半导体器件中，研究了I=3/2的四个核自旋态的任意两个能级之间的相干振荡。利用该器件，我们讨论了I=3/2系统中两个虚拟量子比特的量子逻辑运算，并提出了一种基于纵向磁化测量的量子态层析方案$M_z$ .
2006-12-29 quant-ph
Quantum Interfaces Using Nanoscale Surface Plasmons
单个光发射器和限制在导电纳米尖端上的传播表面等离子体激元之间的强耦合使得该系统充当量子网络的理想接口，通过该接口，静止量子比特和飞行光子（表面等离子体激元）量子比特可以经由拉曼过程相互转换。这种量子接口为量子网络的许多基本功能铺平了道路，包括在分布式量子节点上发送、接收、传输、交换和纠缠量子位，以及确定性源和单光子的有效检测器。数值模拟表明，该方案对实验误差具有较强的鲁棒性，并具有较高的保真度。此外，更小的接口将大大促进量子计算机的可扩展性。
2008-09-24 quant-ph
Trapping atoms using nanoscale quantum vacuum forces
量子真空力决定了单个原子和介电表面在纳米级距离上的相互作用。例如，它们的大强度通常压倒外部施加的力，这使得可控地将冷原子与附近的纳米光子系统接合成为挑战。在这里，我们表明，它是可以定制的真空力本身提供强大的捕获潜力。该捕获方案利用了吸引基态势和绝热敷料与激发态，其潜力被设计为共振增强和排斥。该过程产生强亚稳陷阱，其中激发态布居的分数与介电结构的谐振的品质因数成反比。我们分析现实的限制陷阱的寿命，并讨论可能出现的应用程序，从大陷阱深度和纳米级的限制。
2013-10-22 physics.atom-ph quant-ph
