All-Electromagnetic Control of Broadband Quantum Excitations Using Gradient Photon Echoes
研究了$\varLambda$型三能级系统与双激光场相互作用中的宽带量子回波效应。受新兴的核量子光学领域的启发,该领域通常处理非常窄的共振,我们考虑宽带探测脉冲耦合到系统中存在的非均匀控制场。我们表明,这样的设置提供了一个全电磁场的解决方案,以实现高带宽的光子回波,这是很容易控制,存储和形状在很短的时间尺度上,因此可能会加快未来的光子信息处理。讨论了回波信号的时间压缩和量子存储器的可能应用。
2014-09-22 physics.atom-ph quant-ph
Long coherence of electron spins coupled to a nuclear spin bath
量子比特,即量子计算所需的量子力学比特,必须在很长一段时间内保持其脆弱的量子态。在许多类型的电子自旋量子位中,退相干的主要来源是电子自旋与宿主晶格的核自旋之间的相互作用。对于栅极限定的GaAs量子点中的电子,先前的自旋回波测量已经揭示了在低于100 mT的低磁场下约1 $μ$ s的相干时间。在这里,我们表明,在这样的设备的相干性实际上可以生存更长的时间,并提供了一个详细的了解所测量的核自旋诱导退相干。在几百毫特斯拉以上的磁场中,使用单脉冲自旋回波测量的相干时间扩展到30 $μ$ s。在较低的磁场下,回波首先崩溃,但随后在不同核素的相对拉莫尔进动的周期所给定的稍后时间恢复。这种行为是最近预测的,正如我们所示,可以定量地占一个半经典模型的电子自旋动力学的存在下,一个核自旋浴。使用多脉冲Carr-Purcell-Meiboom-Gill回波序列,去相干时间可以扩展到超过200 $μ$ s,这表示与先前的测量相比提高了两个数量级。这种有效的方法来减轻核自旋诱导退相干的演示,使量子纠错阈值触手可及。
2010-05-17 cond-mat.mes-hall quant-ph
Loschmidt echo driven by hyperfine and electric-quadrupole interactions in nanoscale nuclear spin baths
核自旋池(NSB)动力学及其量子控制对于半导体环境中量子信息的存储和处理具有重要意义。在载流子自旋存在的情况下,主要是超精细相互作用控制高频NSB特性。在这里,我们首先研究了整体的相干性衰减和rephasings在超精细驱动的NSB通过所谓的Loschirtecho(LE)的时间和频谱行为。其依赖于NSB的大小,初始偏振,耦合不均匀性分别进行了研究,这导致一个简单的唯象表达式,可以容纳所有这些属性。与普遍强调自旋1/2不同,具有较大自旋量子数的NSB被同等地考虑。对于这种情况,另外考虑了核电四极相互作用的影响,其中双轴项对退相干有影响。从模型系统中获得的见解,然后把使用两个通用的现实半导体系统,即,施主中心和量子点,代表小和大的纳米级NSB的例子,分别。大量子点的LE谱可以达到100~MHz范围,而对于施主中心,LE谱降低到几MHz,使得它们易于适用于动态解耦技术。四极相互作用对LE的影响对于大量子点来说可以忽略不计,而对于施主中心来说则变得很重要,最明显的是以去极化NSB的形式。
2018-08-09 cond-mat.mes-hall quant-ph
Local probing of nuclear bath polarization with a single electronic spin
我们用实验证明了极化核自旋改变了邻近电子自旋的动力学行为。具体地,异相分量出现在电子自旋回波信号中。该分量与核自旋极化度成比例,并且强烈依赖于核极化方向。当电子自旋被极化的核自旋池包围时,自旋回波正交表现出仅与核自旋丰度及其集体极化相关的特征频率。我们利用这一分析,提出了一种新的测量方法的本地核自旋浴的一个单一的电子自旋。我们量化的现实的实验制度,该计划是有效的。我们的方案在量子传感方面具有潜在的应用价值,并为系统研究极化介观体系开辟了一条途径。
2015-05-22 cond-mat.mes-hall quant-ph
Spin-echo and quantum versus classical critical fluctuations in TmVO$_4$
本研究利用自旋回波核磁共振技术,在横场伊辛模型系统TmVO$_4$中区分了量子与经典临界涨落,观测到量子临界扇形区及高温下的量子涨落,揭示了量子临界环境对量子比特退相干的影响。
2023-06-22 cond-mat.str-el quant-ph
Cavity-enhanced spectroscopy of individual nuclear spins in a dense bath
本文提出将发射器集成至高精细度谐振腔以消除光谱分辨率与信号间的浓度权衡限制,在Er:YSO中实现前所未有的分辨率,精确测量四个Y核自旋超精细相互作用,并扩展至单掺杂剂水平以研究单个核自旋。
2025-05-02 cond-mat.other quant-ph
Quantum theory for electron spin decoherence induced by nuclear spin dynamics in semiconductor quantum computer architectures: Spectral diffusion of localized electron spins in the nuclear solid-state environment
我们考虑了半导体量子计算机体系结构中单个局域电子自旋由于耦合到晶格核自旋浴而产生的退相干。在低温和外加磁场的情况下,主要的退相干机制是电子自旋共振频率的谱扩散,这是由于偶极相互作用引起的自旋对触发器产生的随机磁场引起的.由于这种随机磁场,电子自旋退相复杂地依赖于核自旋池的量子动力学,使得耦合退相干问题难以解决。我们提供了一个正式的精确解决方案,这个非马尔可夫量子退相干问题,数值计算准确的自旋退相干在短时间内,这是特别相关的固态自旋量子计算机架构。发展了一种量子集团展开方法,并对该方法进行了验证。该方法具有足够的通用性,可能应用于其他类型的自旋退相干问题。我们提出的数值计算结果是在定量协议与电子自旋回波测量磷掺杂硅。我们还提出了自旋回波衰减结果的量子点在GaAs中的磷掺杂的硅系统的定性不同。我们的理论结果提供了在可扩展的半导体量子计算机架构中,在低温和中至高磁场下,半导体中局域电子的自旋相干性(至少,如哈恩自旋回波测量所表征的那样)的最终极限。
2006-07-22 cond-mat.mes-hall quant-ph
Exact solution of gradient echo memory and analytical treatment of gradient frequency comb
梯度回波存储器(GEM)利用光子回波机制,高效、逼真地存储和提取光子波包。它是量子存储应用的重要技术。通过打破梯度吸收结构的连续性,该方案成为梯度频率梳(GFC),它是GEM和原子频率梳(AFC)的混合。为了阐明梯度回波的非平凡场-原子演化,我们导出了在任意光学厚度介质中,具有任意线性跃迁频率梯度的梯度回波的精确解析解,并讨论了其物理过程.在此基础上,我们进一步提出并分析了两种类型的GFC,一种是具有阶梯梯度的GFC,另一种是具有间断梯度的GFC。
2016-02-16 quant-ph
Gravitational photon echo
本文理论上研究了利用8.4 eV的Thorium-229核钟跃迁在地球上产生、控制和存储引力诱导的光子回波,通过旋转诱导引力频移反转,为地球上可控的引力量子光学奠定基础。
2025-07-01 gr-qc nucl-th quant-ph
Photon echoes using atomic frequency combs in Pr:YSO -- experiment and semiclassical theory
研究了掺稀土晶体中的光子回波,以了解在具有超精细结构的系统中使用原子频率梳(AFC)协议制作宽带量子存储器的挑战。Pr^{3+}的超精细结构对这一目标构成了障碍,因为与超精细跃迁相关的频率改变了外部强加频率下调制的简单图像。目前的工作集中在中间的情况下,超精细间距是可比的梳间距,最近被认为是一个具有挑战性的制度。在这种状态下操作可以促进在这样的系统中在更大的光谱范围上存储量子信息。在这项工作中,我们准备宽带AFC使用的光梳齿间距范围从1 MHz到16 MHz的精细步骤,并测量每个透射光谱和光子回波。我们预测的光谱和回波理论上使用的光梳作为输入的速率方程代码或密度矩阵代码,计算人口的再分布。然后,我们使用重新分布的人口作为输入的半经典理论,使用频率依赖的介电函数。这两组预测都给出了一个很好的,但不同的光子回波的帐户。
2022-11-16 quant-ph
Electric g Tensor Control and Spin Echo of a Hole-Spin Qubit in a Quantum Dot Molecule
证明了通过电g张量控制量子点分子中空穴自旋的高保真单量子比特操作的可行性。除了一个恒定的外部磁场,所提出的方案允许一个专门的电控制的孔自旋。现实的电栅极偏置配置文件确定各种量子位操作使用过程层析成像为基础的最佳控制。他们被证明是非常强大的对退相干和耗散所产生的与主机晶格核自旋和声子的相互作用的孔,与$\approx$的保真度损失为1%的门操作时间为$\approx 10$ ns。自旋回波实验的孔自旋建模,探讨退相机制和脉冲定时缺陷的作用,对栅极保真度损失进行了讨论。
2010-03-03 cond-mat.mes-hall quant-ph
Assembly and coherent control of a register of nuclear spin qubits
我们介绍了一个光学镊子平台组装和单独操纵的二维寄存器的核自旋量子比特。每个核自旋量子位被编码在$^{87}$ Sr的基态$^{1}S_{0}$流形中,并由位点选择性寻址光束单独操纵。我们观察到自旋弛豫在5秒后可以忽略不计,表明$T_1\gg5$ s。此外,利用量子位子集的同时操作,我们证明了整个寄存器的显着相位相干性,估计$T_2^\star = \left(21\pm7\right)$ s和测量$T_2^\text{echo}=\left(42\pm6\right)$ s。
2021-08-10 physics.atom-ph quant-ph
Collective atom phase controls in photon echoes for quantum memory applications I: Population inversion removal
过去十年在稀土掺杂固体中展示的基于光子回波的量子存储器通过使用集体原子相位控制解决了传统光子回波中布居数反转的主要限制。原子频率梳和梯度回波也在更高的回波效率方面取得了突破,而传统的光子回波效率仍然保持在百分之几。并讨论了集体原子相位控制应用于传统的光子回波量子存储器的应用,以澄清基本物理的相干瞬态在一个三能级系统,特别是光学-受控双重定相回波中的自旋相干转换。分析了各种协议中存在的一些关键性误解,并在没有粒子数反转的情况下,对接近单位回波效率进行了修正。
2016-12-08 quant-ph
Theory of nuclear induced spectral diffusion: Spin decoherence of phosphorus donors in Si and GaAs quantum dots
我们提出了一个半导体局域自旋的谱扩散模型,该模型是由晶格核自旋的偶极涨落引起的。每个核自旋触发器被假定为是独立的,该过程的速率由矩量法计算。我们计算的Si:P中施主电子自旋的自旋退相干时间$T_{M}=0.64$ ms是自旋回波衰减测量的两倍。对于$^{31}$ P核自旋,我们表明,频谱扩散是很好的运动窄化制度。GaAs量子点的计算给出了取决于量子点尺寸的$T_{M}=10-50$ $μ$ s。我们的理论表明,核诱导光谱扩散不应该是一个严重的问题,在发展自旋为基础的半导体量子计算机架构。
2003-05-22 cond-mat.mes-hall quant-ph
Understanding of collective atom phase control in modified photon echoes for a near perfect, storage time extended quantum memory
通过求解麦克斯韦-布洛赫方程组,在三能级系统中分析了一个近似完美的、存储时间扩展的基于光子回波的量子存储协议。后向光子回波方案与经由控制拉比触发到第三状态的受控相干转换过程相结合,其中控制拉比触发共同地使系综相干的相位移位。光子回波的传播方向由数据(量子)和控制(经典)脉冲之间的相位匹配条件相干地确定。本文讨论了在三能级系统的单重相位光子回波和双重相位光子回波方案中,通过控制控制脉冲,量子态的相位和传播方向的经典可控性。与二能级光子回波的应用相比,三能级系统的Maxwell-Bloch方程在与任意控制脉冲区域相互作用时,其相位变化有一个严格的限制。
2017-04-15 quant-ph
Coherent Control of a Single Silicon-29 Nuclear Spin Qubit
由宿主晶体的核自旋引起的磁涨落通常是许多类型的固态自旋量子比特的退相干的主要来源。在第四族材料中,自旋轴承核是足够罕见的,它是可能的识别和控制个别主机核自旋。这项工作提出了第一个实验检测和操纵的一个单一的$^{29}$硅核自旋。量子非爆破(QND)单次读出的自旋证明,和哈恩回波测量揭示了$T_2 = 6.3(7)$ ms的相干时间-与散装实验非常一致。原子模型结合提取的实验参数提供了可能的晶格位置的$^{29}$硅原子的调查。这些结果表明,单个$^{29}$ Si核自旋可以作为基于硅自旋的量子计算机中的有价值的资源。
2014-08-06 cond-mat.mes-hall quant-ph
Coherent control of solid state nuclear spin nano-ensembles
探测和控制核自旋纳米系综对于核磁共振(NMR)光谱学的进一步发展和新兴的固态量子技术至关重要。在这里,我们提出了一个$\approx$ 1纳米厚的金刚石层的制造组成的$^{13}$ C核自旋掺杂的氮空位中心(NV)嵌入在一个无自旋的$^{12}$ C晶体基质。该层附近的单个NV用于$^{13}$ C自旋的极化和其磁化的读出。我们展示了一种方法,通过使用射频脉冲的相干控制的几十个核自旋,并显示基本的相干控制实验-拉比振荡,拉姆齐光谱和哈恩回波,但任何NMR脉冲序列可以实现。所示的结果提出了实现基于核自旋的量子模拟器的第一步。
2018-02-08 cond-mat.mes-hall quant-ph
All-optical control of long-lived nuclear spins in rare-earth doped nanoparticles
纳米级系统为量子技术提供了关键能力,包括单量子位控制和读出、多量子位门操作、极其灵敏和局部化的传感和成像,以及构建混合量子系统的能力。为了充分利用这些功能,非常需要多个自由度:在这方面,相干耦合到光并拥有自旋的纳米级系统允许存储光子量子比特或光物质纠缠以及处理能力。此外,与直接RF激发相比,自旋的全光学控制可以用于更快的门操作和更高的空间选择性。因此,这样的系统对于量子通信和处理具有很高的兴趣。然而,一个突出的挑战是保持性能,特别是光学和自旋相干寿命,在纳米级。实际上,与表面相关的扰动的相互作用随着尺寸的减小而强烈增加,尽管最小的物体呈现出与其他系统集成的最高灵活性。在这里,我们展示了在稀土掺杂纳米颗粒中具有长相干寿命(T2)的光控核自旋。我们观察到的自旋回波和测量T2为2.9 +/- 0.3毫秒,在5 K和9 mT的磁场下,一个值可比的散装单晶体中获得的。此外,我们实现了,第一次,自旋T2扩展使用全光自旋动力学解耦和观察激发和回波相位之间的高保真度。因此,稀土掺杂纳米颗粒是唯一报道的纳米材料,其中已经观察到具有毫秒相干寿命的光控自旋。这些结果为在混合体系结构中提供具有长存储时间的量子光-原子-自旋界面开辟了道路。
2017-11-10 cond-mat.mes-hall quant-ph
Coherent control and suppressed nuclear feedback of a single quantum dot hole qubit
利用量子信息的未来通信和计算技术需要鲁棒且隔离良好的量子比特。III-V族半导体量子点中的电子自旋虽然是有希望的候选者,但它们的动力学受到核自旋浴的不期望的滞后和散肩效应的限制。用空穴取代电子应该会抑制超精细相互作用,从而消除强核效应。使用皮秒光脉冲,我们演示了一个单一的孔量子比特的相干控制,并检查自由感应和自旋回波衰减。在从电子到空穴的移动中,我们观察到显着减少的超精细相互作用,这一点可以通过重新出现无核动力学来证明,同时获得类似的相干时间,受到非核机制的限制。这些结果证明了光控量子点空穴量子比特的潜力。
2011-06-28 cond-mat.mes-hall quant-ph