Superconducting Resonator-Rydberg Atom Hybrid in the Strong Coupling Regime
我们提出了一个很有前途的混合量子系统,其中高激发态原子通过电容器的电场与超导LC振荡器发生强相互作用。外加一个静电场来调谐原子的能谱。在里德伯原子的DC斯塔克映射中,原子量子比特由两个本征态在一个避免的能级交叉处实现。改变静电场使原子-量子比特跃迁与微波谐振器共振或非共振,从而导致具有极大协同性的强原子-谐振器耦合。与超导电路中的约瑟夫森结引起的非线性效应类似,大的原子-谐振腔界面会扰动谐振腔的谐振势,从而产生一个人工二能级粒子。不同的通用双量子位逻辑门也可以在我们的混合系统中执行,在该空间中,原子量子位耦合到单个光子,其相互作用强度远远大于任何弛豫速率,为腔介导的状态传输打开了大门。
2016-11-16 physics.atom-ph quant-ph
Interfacing Rydberg atoms with a chip-based superconducting microwave resonator using an ac-Stark-shifted single-photon transition
University College London(伦敦大学学院)
通过交流斯塔克位移将里德伯原子单光子跃迁调谐至芯片超导谐振器模式,实现共振耦合,估算单光子拉比频率约2π×100 Hz,为单光子强耦合奠定基础。
2026-09-10 physics.atom-ph quant-ph
Quantum incompressibility of a falling Rydberg atom, and a gravitationally-induced charge separation effect in superconducting systems
自由下落的点状物体向地球中心汇聚。因此,地球的引力场是不均匀的,并具有潮汐分量。在高主量子数拉伸状态下制备的诸如氢原子的扩展量子物体的自由降落,即,一个圆形的里德伯原子,当两个物体从地球上方的相同高度落下时,预计会比经典的点状物体下降得更慢。这表明,除了“量子跳跃”,原子在像地球那样的非均匀潮汐引力场中自由降落时,还表现出一种“量子不可压缩性”。一个有持续电流环绕的超导环状系统,在自由降落时,其行为类似于圆形里德伯原子。就像自由下落原子的电子波函数一样,库珀对波函数是“量子不可压缩的”。然而,超导体的离子晶格的离子不是“量子不可压缩的”,因为它们不具有全局相干的量子相。由此产生的差异在自由降落过程中的响应nonlocalizable库珀对电子和localizable离子不均匀的引力场的预测,导致电荷分离效应,这反过来又导致一个大的排斥库仑力,反对的收敛引起的潮汐,吸引力的超导系统。本文提出了一个观测超导电路中非均匀引力场引起的电荷分离效应的“类卡文迪许”实验。这个实验将证明引力和电之间通过宏观相干量子物质的新型耦合的存在。
2010-03-08 gr-qc quant-ph
Quantum Gate Optimization for Rydberg Architectures in the Weak-Coupling Limit
本研究利用机器学习辅助设计里德伯镊子系统中的双量子比特门,通过混合量子-经典优化生成高保真CNOT门脉冲序列,证明局部控制足以支持大规模量子计算,并验证了弱耦合极限下该方法的鲁棒性与最优性。
2023-06-14 cond-mat.other quant-ph
Quantum Incompressibility of a Freely Falling Hydrogen Atom in a Circular Rydberg State, and a Gravitationally-Induced Charge Separation Effect in Superconducting Systems
自由下落的点状物体向地球中心汇聚。因此,地球的引力场是不均匀的,并具有潮汐分量。一个扩展的量子力学物体,如一个氢原子,在一个高主量子数状态,即一个圆形的里德伯原子,自由降落预计下降速度比一个经典的点状物体,当两个物体从地球表面以上的相同高度下降。这表明,除了量子态之间的跃迁,原子在像地球那样的非均匀潮汐引力场中自由降落时,表现出一种量子力学的不可压缩性。一个有持续电流环绕的超导环状系统,在自由降落时,其行为类似于圆形里德伯原子。与自由下落原子的电子波函数一样,库珀对波函数是量子力学不可压缩的。然而,超导体晶格中的离子不是不可压缩的,因为它们不具有全局相干的量子相位。由此产生的差异在自由降落过程中的非定域库珀对电子和定域离子的响应不均匀的引力场的预测,导致电荷分离效应,这反过来又导致一个大的库仑力,反对的超导系统上的潮汐引力引起的收敛。本文提出了一个观测超导电路中非均匀引力场引起的电荷分离效应的“类卡文迪许”实验。的电荷分离效应被确定为是有限的对断裂过程中发生的低频引力扰动时,存在。
2010-11-02 gr-qc quant-ph
Rydberg-atom-based scheme of nonadiabatic geometric quantum computation
非绝热几何量子计算提供了一种实现快速、鲁棒的量子门的方法。它已经在各种物理系统中实现,如囚禁离子、核磁共振和超导电路。另一个适合于实现非绝热几何量子计算的系统可以是里德伯原子,因为它们的内部状态具有非常长的相干时间,并且里德伯介导的相互作用有助于实现两个量子比特门。本文提出了一种基于里德伯原子的非绝热几何量子计算方案,它结合了非绝热几何门的鲁棒性和里德伯原子的优点.
2017-11-14 quant-ph
Analysis of a quantum logic device based on dipole-dipole interactions of optically trapped Rydberg atoms
本文详细分析和设计了一种基于光阱中原子间里德伯态偶极-偶极耦合相互作用的中性原子量子逻辑器件。列举了导致退相干和保真度损失的主要物理机制。我们的研究结果支持在MHz速率下执行单和双量子比特门的可行性,对于每个操作,退相干概率和保真度误差在$10^{-3}$的水平。目前的局限性和可能的方法,以进一步改善设备进行了讨论。
2005-02-13 quant-ph
Mesoscopic Rydberg Gate based on Electromagnetically Induced Transparency
我们从理论上证明了一个并行的C-NOT门,它允许纠缠一个介观原子系综与一个单一的控制原子在一个单一的步骤,高保真度和微秒的时间尺度。我们的方案依赖于里德伯原子之间强的长程相互作用来触发电磁诱导透明(EIT)。通过这种方法,我们可以鲁棒地实现所有系综原子在两个逻辑状态之间的条件转移,这取决于控制原子的状态。我们提出了一种多体干涉仪,它通过测量控制原子来比较两个多体量子态。
2009-07-10 quant-ph
Systematic error tolerant multiqubit holonomic entangling gates
量子完整门具有对局部噪声的内在弹性,为实现容错量子计算提供了一种很有前途的方法。我们提出利用限制在光学阵列或超导电路中的里德伯原子实现高保真完整$(N+1)$ -量子比特控制门。我们识别了该方案,推导了有效多体哈密顿量,确定了多量子比特门的工作条件。独特地,多量子位门不受系统误差的影响,即,激光参数波动和运动失相,因为在操作期间$N$控制原子大部分保持在非常稳定的量子位空间中。我们发现,$C_N$门可以达到相同的保真度水平,在一个给定的门时间为$N\leq5$在适当的参数选择,和门容忍系统参数的错误,可以进一步提高通过优化脉冲工程。在里德伯原子的情况下,所提出的协议是本质上不同于典型的方案的基础上里德伯封锁或反封锁。我们的研究为用光学阵列或超导电路捕获里德伯原子构建鲁棒的多量子比特门铺平了新的道路。它有助于目前的努力,在发展可扩展的量子计算与被困原子和可制造的超导设备。
2021-11-17 quant-ph
Microwave probes Dipole Blockade and van der Waals Forces in a Cold Rydberg Gas
我们表明,微波光谱的致密里德伯气体被困在超导原子芯片的偶极封锁制度直接揭示了偶极-偶极多体相互作用能谱。我们用这种方法来研究里德伯云的膨胀下的排斥范德华力的影响和冻结气体近似的崩溃。这项研究为多体系统的量子模拟和强相互作用里德伯原子链中的量子信息传输开辟了一条有前途的路线。
2015-02-14 cond-mat.quant-gas physics.atom-ph quant-ph
Single-shot Non-destructive Detection of Rydberg Atom Ensembles by Transmission Measurement of a Microwave Cavity
里德伯原子是越来越多的实验的核心,这些实验经常依赖于破坏性的检测方法,如场电离。在这里,我们提出了一个实验实现的单次非破坏性检测系综的氦里德伯原子。我们利用超导微波腔与系综相互作用的色散频移。通过探测腔的透射率和测量其相位的变化,我们确定了当系综以叠加态制备时里德伯原子的数目或里德伯量子态的布居。在最佳的探测功率,由临界光子数确定,我们达到单次发射探测的原子数与13%的精度约500个里德伯原子的合奏与测量反作用的特点是约2%的人口转移。
2019-11-14 physics.atom-ph quant-ph
Three-dimensional trapping of individual Rydberg atoms in ponderomotive bottle beam traps
我们演示了单个里德伯原子在全息光瓶阱中的三维囚禁。从标准光镊中的冷基态$^{87}$ Rb原子开始,我们将它们激发到$nS_{1/2}$、$nP_{1/2}$或$nD_{3/2}$里德堡态,并将它们转移到850 nm的空心阱中。对于主量子数$60 \leqslant n \leqslant 90$,在300 K环境下,测量的俘获时间与里德伯态寿命相吻合.我们表明,这些陷阱是兼容的量子信息和模拟任务,通过执行单量子比特微波拉比跳,以及通过测量的相互作用引起的,相干的自旋交换动力学之间的两个被困里德伯原子分离40 $μ$ m。这些结果将在实现高保真度的量子模拟和使用里德伯原子的量子逻辑运算中得到应用。
2019-08-02 cond-mat.quant-gas physics.atom-ph quant-ph
Bulk and Boundary Quantum Phase Transitions in a Square Rydberg Atom Array
受最近在可编程量子模拟器上实现物质奇异相的实验结果的启发,我们对正方形晶格上里德伯原子阵列中的量子相变进行了全面的理论研究,包括开放和周期边界条件。在散装,我们确定了几个一阶和连续相变进行大规模的量子蒙特卡罗模拟和发展的分析理解这些过渡的性质,使用朗道-金兹伯格-威尔逊理论的框架。值得注意的是,我们发现,在开放的边界条件下,边界本身经历了一个二级量子相变,独立的体积。这些结果解释了最近的实验观察,并为新型量子相的绝热态制备和使用里德伯原子阵列平台的量子优化提供了重要的新见解。
2021-12-20 cond-mat.quant-gas quant-ph
Microwave-to-optical frequency conversion using a cesium atom coupled to a superconducting resonator
将量子信息从微波频率转换为光频率的候选方案是使用一方面与超导微波谐振器相互作用另一方面与光学腔相互作用的单个原子。里德伯态所具有的大电偶极矩和微波跃迁频率使它们能够与超导器件强耦合。然后可以使用激光将里德伯跃迁连接到光学跃迁以实现转换。由于在这个过程中的基本噪声源是来自原子水平的自发发射,因此产生的控制问题涉及选择驱动激光器的脉冲形状,以便最大化传输速率,同时最小化该损耗。在这里,我们考虑铯原子的具体例子,以及转换循环中使用的两个具体选择。在假设自发发射是唯一重要的误差源的情况下,我们使用数值优化来确定使用该设备可以实现的可靠量子通信的可能速率。这些速率是每秒几兆量子比特的量级。
2017-05-17 quant-ph
Interspecies Förster resonances of Rb-Cs Rydberg $d$-states for enhanced multi-qubit gate fidelities
本文分析Rb-Cs里德堡d态的种间Förster共振,识别最强耦合通道,证明可实现最高k=4的高保真多量子比特C_kZ门,并发现d态比s态更有效抑制种内耦合,适用于大规模中性原子量子处理器。
2024-02-15 physics.atom-ph quant-ph
Non-stabilizerness in kinetically-constrained Rydberg atom arrays
本文研究相互作用量子系统中的多体非稳定子性质,指出 Rydberg 原子阵列可借由 Rydberg 阻塞形成该资源,并通过淬火动力学、绝热基态制备及矩阵乘积态框架揭示其实验获取方式与起源。
2025-07-27 cond-mat.quant-gas cond-mat.str-el quant-ph
Driven-dissipative dynamics of a strongly interacting Rydberg gas
本文研究了激光作用下基态碱金属原子与里德堡态弱混合冷气体的非平衡多体动力学。在短于修饰态寿命的时间尺度上,原子之间有效的偶极-偶极或范德华相互作用可以导致强关联相的形成,例如原子晶体。使用半经典的方法,我们研究了长时间的动力学,由于自发发射和黑体辐射的消相干和耗散过程占主导地位,导致加热和熔化的原子晶体以及粒子的损失。这些影响可以通过在存在原子修整的情况下执行主动激光冷却来显著减轻。
2012-07-11 cond-mat.quant-gas physics.atom-ph quant-ph
Reversible state transfer between superconducting qubits and atomic ensembles
我们研究了固态超导量子比特和超冷原子系综之间相干、可逆信息传递的可能性。这些系统之间的强耦合是由微波传输线谐振器介导的,该谐振器通过原子的光激发里德堡态与原子近共振地相互作用。固态量子比特可以用于实现快速量子逻辑门,而原子的集体亚稳态可以用于长期存储和量子信息的光学读出。
2009-02-05 quant-ph
Quantum simulation and computing with Rydberg-interacting qubits
激发到里德伯态的光阱原子阵列最近已经成为量子模拟和计算的竞争性物理平台,其中高保真状态制备和读出、量子逻辑门和超过100个量子比特的受控量子动力学都已经被证明。这些系统现在正在接近这样一个点,即具有数百个量子比特和实际上数千个低错误率的多量子比特门的可靠量子计算应该是第一次可以实现的。在这篇文章中,我们概述了Rydberg量子工具箱,强调了编码量子比特,执行量子操作和工程量子多体哈密顿的高度灵活性。然后,我们回顾了国家的最先进的高保真量子运算和逻辑门,以及量子模拟在多体制度。最后,我们讨论了特别适合Rydberg平台的计算方案,以及通用量子模拟器和量子计算机道路上的一些剩余挑战。
2020-12-30 cond-mat.quant-gas physics.atom-ph quant-ph
Transition Slow-Down by Rydberg Interaction of Neutral Atoms and a Fast Controlled-NOT Quantum Gate
探索可控的相互作用是量子科学的核心。中性的里德伯原子提供了一条通往单量子之间灵活相互作用的多用途途径。由于Rydberg阻断对相互作用涨落的鲁棒性,以前的工作主要集中在激发湮灭~(EA)效应上。我们研究了Rydberg阻断的另一个效应,即跃迁慢化~(TSD)。在TSD中,一个原子中的地里德伯循环减慢了附近原子的里德伯参与的状态跃迁,这与EA相反,EA会湮灭假定的状态跃迁。TSD可导致精确受控的-{\footnotesize NOT}~({\footnotesize CNOT})门,其中子$μ$的持续时间约为两个脉冲的$2π/Ω+ε$,其中$ε$是实现脉冲中的相位变化的可忽略的瞬态时间,并且$Ω$是Rydberg Rabi频率。基于TSD的{\footnotesize CNOT}的快速、准确性使得中性原子可以与超导离子阱系统相媲美。
2021-01-31 physics.app-ph physics.atom-ph physics.optics
Nonadiabatic noncyclic geometric quantum computation in Rydberg atoms
非绝热几何量子计算(NGQC)是为了实现快速、鲁棒的几何门而发展起来的。然而,传统的NGQC是,所有的门执行完全相同的时间量,无论几何旋转角度是大还是小,由于循环条件的限制。本文提出了一种非绝热非循环几何量子计算(NNGQC)方案,即通过非循环非阿贝尔相位构造任意的单比特和双比特几何量子门。因此,该方案可以加速实现的几何门,以对抗环境退相干的影响。此外,这种可扩展的方案可以应用于各种量子平台,如超导量子比特和里德伯原子。具体而言,对于单比特量子门,我们在中性原子系统中用实际参数进行了模拟,以显示NNGQC的鲁棒性,并与NGQC用最近的实验参数进行了比较,表明NNGQC可以显著抑制退相干误差。此外,我们还证明了在现有的实验技术条件下,非平凡的两量子比特几何门可以通过非常规的Rydberg封锁机制来实现。因此,我们的方案为基于中性原子的快速、稳健的量子计算提供了一种很有前途的方法。
2020-10-26 quant-ph
Entangling two Rydberg Superatoms via Heralded Storage
本研究利用里德堡超原子实现了光子的预告存储,并基于此成功纠缠了两个远程超原子,该方法无需中间节点,为量子网络和线性光学量子计算开辟了新途径。
2025-04-07 physics.optics quant-ph
Non-Hermitian physics in the dissipative many-body system of Rydberg atoms
University of Science and Technology of China(中国科学技术大学);Key Laboratory of Quantum Information, University of Science and Technology of China(中国科学技术大学量子信息重点实验室);Synergetic Innovation Center of Quantum Information and Quantum Physics, University of Science and Technology of China(中国科学技术大学量子信息与量子科技创新研究院)
本文综述了Rydberg原子系统中非厄米特物理的研究进展,探讨了非厄米特哈密顿量的构造、耗散机制及其对能谱和对称性破缺的影响。
2026-08-14 cond-mat.quant-gas quant-ph
Graph Coloring via Quantum Optimization on a Rydberg-Qudit Atom Array
Durham University(杜伦大学);University of Oxford(牛津大学);University of Strathclyde(思克莱德大学)
利用Rydberg-量子态原子阵列进行量子优化,实现图着色问题的高效求解,可处理色数高达3的图结构。
2025-04-11 physics.atom-ph quant-ph
ReCon: Reconfiguring Analog Rydberg Atom Quantum Computers for Quantum Generative Adversarial Networks
Rice University(莱斯大学)
提出首个在模拟 Rydberg 原子量子计算机上实现量子 GANs 的 ReCon,利用可配置量子比特特性,生成图像质量较超导量子比特最先进技术提升 33%。
2024-10-09 cs.CV cs.ET quant-ph
Hybrid Atom--Photon Quantum Gate in a Superconducting Microwave Resonator
利用超导共面波导腔中原子和微波光子之间的强共振微波耦合,提出了一种新的混合量子门.使用实验上可实现的参数,对于低于40 mK的波导温度,在亚$μ$ s的时间尺度上,门结晶度$> 0.99$是可能的。这提供了在两个不同的量子系统之间产生纠缠的机制,并且代表了创建适用于量子模拟和量子信息处理的混合量子接口的重要步骤。
2013-12-18 physics.atom-ph quant-ph
Superconducting Qubit-Resonator-Atom Hybrid System
我们提出了一个混合量子系统,其中一个$LC$谐振腔与一个通量量子比特感应相互作用,并与一个里德伯原子电容耦合。改变外部磁通量偏置控制通量量子位翻转和通量量子位谐振器界面。利用静电场对原子光谱进行调谐,控制原子的量子位态跃迁和原子与谐振腔的耦合。通过简单地调节磁通偏置和静电场,可以制备超导、光子和原子量子比特的不同类型的纠缠,从而实现三量子比特Toffoli逻辑门。
2017-06-29 physics.atom-ph quant-ph
Energetics of Rydberg-atom Quantum Computing
PQI – Portuguese Quantum Institute(葡萄牙量子研究所);Physics of Information and Quantum Technologies Group, Centro de Física e Engenharia de Materiais Avançados (CeFEMA)(信息与量子技术物理小组,先进材料与工程物理中心);LaPMET – Laboratory of Physics for Materials and Emerging Technologies(材料与新兴技术物理实验室);Instituto Superior Técnico, Universidade de Lisboa(里斯本大学高等理工学院);Quantum Green Computing, Ltd.(量子绿色计算有限公司)
本文研究了Rydberg原子量子计算平台的能量效率,通过分析量子相位估计算法的能量消耗以及量子傅里叶变换中能量成本随量子比特数的变化,探讨了该平台在能量性能上的优势,并与经典超级计算机的傅里叶变换进行了比较。
2026-05-18 quant-ph
Precisely controlling the reflection phase of a photon via a strongly-coupled ancilla dressed qubit
我们提出,一个单一的量子位原子的里德伯装饰可以用来控制周围的三能级原子的系综,从而由光学腔反射的光的相位。我们的方案采用了系综暗共振,它是由一个单原子的量子比特态扰动,产生一个单原子单光子门。我们在这里展示了量子位的非共振里德伯敷料提供了实验上可行的操作制度,与使用搁置里德伯人口的方案相比,大大减少了错误。这种低误差(在$10^{-3}$范围内)是容错光光子、基于门的量子计算的必要条件。我们还演示了微波电路QED技术,其中强耦合的辅助超导量子比特可以用于原子系综的位置,以提供高保真度的微波光子耦合。
2018-01-22 quant-ph
Fast atom-photon entangling gates with a superconducting coplanar waveguide
超导共面波导中原子与微波光子之间的纠缠可以实现量子混合器件以及静态和飞行量子比特的接口。本文研究了在超临界阱附近囚禁的中性原子和超临界阱中的微波模之间的一步控制Z ~(C $_{\text{Z}}$)门,它是[J. D. Pritchard等人,A 89,010301(R)(2014)]。门协议是简单的,并且需要一个激光脉冲来激发中性原子的基态和里德伯态之间的跃迁。
2022-12-13 physics.atom-ph physics.ins-det physics.optics
Quantum State Transmission in a Superconducting Charge Qubit-Atom Hybrid
由宏观超导电路和微观组分(如原子和自旋)组成的混合体具有在不同量子物种之间传输任意状态的潜力,从而导致量子信息的高速操作和长时间存储的前景。在这里,我们提出了一种新的混合结构,其中一个中性原子量子比特直接接口超导电荷量子比特,实现量子比特状态的传输。高激发态的里德伯原子位于栅电容内部,对盒中库珀对的行为有很强的影响,而处于基态的里德伯原子对超导器件几乎没有干扰。此外,原子态的DC斯塔克位移显著地依赖于电荷-量子比特态。利用标准的光谱技术和扫描门电压偏置,我们展示了如何将任意量子态从超导器件转移到原子,反之亦然。
2016-11-10 cond-mat.mes-hall physics.atom-ph quant-ph
Deterministic Time-Bin Entanglement between a Single Photon and an Atomic Ensemble
混合物质-光子纠缠是量子网络的基石。如果能够以高概率制备纠缠,则是非常有利的。在本文中,我们报道了利用里德伯封锁的原子系综与单光子纠缠的确定性产生。我们设计了一个方案,使用循环检索和修补的过程,创建一个单光子的时间模式和里德堡能级之间的纠缠,主机的集体激发。通过将原子激发态作为第二个光子并进行相关测量,对混合纠缠进行了测试,结果表明纠缠保真度为87.8%。我们的物质-光子纠缠源将使远程量子存储器的纠缠效率更高。
2021-08-05 quant-ph
Enhancing a Many-body Dipolar Rydberg Tweezer Array with Arbitrary Local Controls
该研究提出并实现了一种结合局部寻址光束与全局微波场的协议,在偶极里德伯原子阵列中实现任意局部控制,成功制备了W态及有限手性态等纠缠态,并探索了受挫几何中的绝热态制备,扩展了量子模拟能力。
2024-02-16 cond-mat.quant-gas physics.atom-ph quant-ph
Programmable quantum simulation of 2D antiferromagnets with hundreds of Rydberg atoms
使用合成系统的量子模拟是一条很有前途的途径,可以在其他方法(包括数值方法)失败的情况下解决悬而未决的量子多体问题。许多平台正在朝着这一目标发展,特别是基于捕获的离子,超导电路,中性原子或分子。所有这些都面临两个关键挑战:(i)扩大集合规模,同时保持对参数的高质量控制,以及(ii)验证这些大型系统的输出。在这里,我们使用可编程阵列的单个原子被困在光镊,与激光激发控制的相互作用,以里德伯态实现一个标志性的多体问题,反铁磁二维横向场伊辛模型。我们将这个平台推向前所未有的高度,可以高保真地操纵多达196个原子。我们通过动态调整哈密顿量的参数来探测反铁磁序。我们说明了我们的平台的多功能性,通过探索不同的系统尺寸上两个定性不同的几何形状,正方形和三角形阵列。我们获得了良好的协议与数值计算的计算可行的大小(约100个粒子)。这项工作表明,我们的平台可以很容易地用于解决多体物理学中的开放问题。
2020-12-22 cond-mat.quant-gas physics.atom-ph quant-ph
Investigation of three-body Förster resonance for various spatial configurations of the three interacting Rubidium Rydberg atoms
本文扩展研究了Rb里德堡原子在不同空间构型下的新型三体Förster共振,发现一种共振电场对原子间距依赖较弱的共振,最适合用于观察集体三体态相干振荡并实现三量子比特量子门。
2025-06-27 cond-mat.quant-gas physics.atom-ph quant-ph
Proposals for experimentally realizing quantum-autonomous gates
Joint Center for Quantum Information and Computer Science, NIST and University of Maryland(量子信息与计算机科学联合中心,美国国家标准与技术研究院和马里兰大学);Department of Physics, University of Maryland(马里兰大学物理系);Department of Physics, Harvard University(哈佛大学物理系);Atominstitut, Technische Universität Wien(维也纳工业大学原子研究所);Institute for Quantum Optics and Quantum Information, IQOQI Vienna, Austrian Academy of Sciences(奥地利科学院维也纳量子光学与量子信息研究所);Joint Quantum Institute, University of Maryland(马里兰大学联合量子研究所);Duke Quantum Center and Department of Physics, Duke University(杜克大学杜克量子中心及物理系);National Quantum Laboratory (QLab), University of Maryland(马里兰大学国家量子实验室(QLab));Department of Microtechnology and Nanoscience, Chalmers University of Technology(查尔姆斯理工大学微技术与纳米科学系);Institute for Physical Science and Technology, University of Maryland(马里兰大学物理科学与技术研究所)
针对减少量子计算经典控制的需求,提出在里德伯原子、囚禁离子、超导量子比特三个平台实现量子自主门的方案,可作为量子自主电路模块以降低经典控制负担。
2026-09-07 quant-ph
Performing SU($d$) operations and rudimentary algorithms in a superconducting transmon qudit for $d=3$ and $d=4$
本文在超导 transmon 中实现了最多 4 能级的 qudit,构建并实验验证了 d=3 和 d=4 的 SU(d) 操作、基准测试协议及原型量子算法,为 qudit 量子处理器的操控与应用发展奠定基础。
2023-04-24 quant-ph
Towards quantum simulation with circular Rydberg atoms
量子模拟的主要目标是深入理解多体物理。它对于基本问题(量子相变、输运、. . .)及创新材料的发展。多体系统的分析方法是有限的,其希尔伯特空间的巨大尺寸使得经典计算机上的数值模拟变得棘手。量子模拟器通过将感兴趣的系统转录成另一个系统来避免这些限制,该系统具有相同的动力学,但相互作用参数处于控制之下,并且可以通过实验访问所有相关的可观测量。自旋系统的量子模拟正在用囚禁离子、中性原子和超导器件进行探索。我们在这里提出了一个新的范例,自旋1/2阵列的量子模拟提供了前所未有的灵活性,并允许一个探索领域超出了其他平台。它基于激光捕获的圆形里德伯原子。它们的长固有寿命与它们的微波自发发射的抑制和它们对碰撞和光电离的低灵敏度相结合,使得捕获寿命在分钟范围内与最先进的技术现实。超冷无缺陷环形原子链可以通过蒸发冷却方法的变体来制备。这种方法还可以单独检测任意自旋可观测量。建议的模拟器实现了XXZ自旋1/2哈密顿量与最近邻耦合范围从几kHz到几十kHz。所有的模型参数都可以随意调整,从而可以进行大范围的模拟。系统演化可以在秒的范围内进行,足够长的时间与基态绝热准备和热化,无序或Floquet时间晶体的研究相关。该平台为量子模拟提供了无与伦比的功能。
2018-03-14 quant-ph
Fast multi-qubit gates by adiabatic evolution in interacting excited state manifolds
量子计算和量子模拟可以通过级联一个和两个量子比特门和相互作用来实现。然而,对于大多数物理实现,探索脱离这种通用范式的状态组件和交互并提供对系统上更高级操作的更快或更鲁棒的访问可能是有利的。在这篇文章中,我们表明,沿激发交换相互作用的暗本征态的绝热通过可以用来实现快速多量子位Toffoli(C $_k$ -NOT)和扇出(C-NOT $^k$)门。这种机制可以通过同时激发原子到里德伯能级来实现,其特征在于共振交换相互作用。我们的理论估计和数值模拟表明,这些多量子位里德堡门是可能的,误差低于1%,高达20个量子位。激发交换机制在实验平台上是普遍存在的,我们证明了类似的多量子比特门可以在超导电路中实现。
2020-06-12 quant-ph
Applying Electric and Magnetic Field Bias in a 3D Superconducting Waveguide Cavity with High Quality Factor
三维微波波导腔是许多腔量子电动力学实验的重要工具。然而,需要在腔内用直流磁场控制量子发射器,这通常将这种实验限制在具有相对较低的品质因数约为$10^4$的正常导电腔。类似地,到目前为止,在正常和超导波导腔中用直流电场控制量子发射器是困难的,因为直流电极的插入强烈地限制了品质因数。在这里,我们提出了一种方法来施加直流电场内的超导波导腔,这是基于在微波电场的节点处插入直流电极。此外,我们提出了一种方法来施加直流磁场在同一个空腔内,通过捕获的磁通量在孔定位在面对的墙壁的腔。我们证明,这种超导,由铌制成的矩形腔的$\text{TE}_{301}$模式保持高的内部品质因数的$Q_{\text{int}} \sim 1.7 \cdot 10^6$在几个光子的水平和基础温度的$3~\text{K}$。利用二次斯塔克效应和塞曼效应,将里德堡原子云耦合到腔体的微波电场中,分别探测外加直流电场和直流磁场。
2017-12-22 quant-ph
Controlled entanglement of two field modes in a Cavity Quantum Electrodynamics experiment
利用单个圆形里德伯原子,我们制备了超导腔的两个最大纠缠态模。这两种模式共用一个光子。这种纠缠是通过第二个原子探测,经过一段延迟,两个模式之间的相关性来揭示的。这个实验为量子信息操作和量子理论的基本测试打开了有趣的视角。
2001-05-14 quant-ph
Nonequilibrium Universality of Rydberg-Excitation Spreading on a Dynamic Network
本文结合冷$^{87}$Rb实验与数值模拟,利用雪崩分布刻画动态原子网络中里德伯激发传播的吸收态相变,并揭示耗散强度对DP至MF普适类渡越的影响。
2025-02-20 physics.atom-ph quant-ph
Echo Cross Resonance gate error budgeting on a superconducting quantum processor
Oxford Quantum Circuits(牛津量子电路);National Quantum Computing Centre(国家量子计算中心)
本文提出了一种在超导量子处理器上通过误差抑制技术提升双量子比特门性能的方法,实现了误差率的显著降低。
2026-01-28 quant-ph
Exotic looped trajectories via quantum marking
我们提供了一个分析和理论研究奇异的环形轨迹(ELTs)在双缝干涉仪与量子标记。我们使用一个激发的类里德伯原子和诸如超导腔之类的探测器,就像在斯库利-恩格勒-瓦尔特干涉仪中一样。我们指出原子束或超导腔上的适当条件,使我们确定的干涉图样和条纹的可见性独家从ELTs。我们定量地描述了我们的结果铷原子,并提出了这个框架作为一个替代方案的双缝实验修改为只干扰这些异国情调的轨迹。
2017-05-26 physics.atom-ph quant-ph
Charge Qubit-Atom Hybrid
研究了一个新的超导电荷量子比特与单个中性原子通过电偶极耦合直接相互作用的混合系统。宏观超导电路与微观原子系统的接口是通过改变电荷量子比特的栅极电容来实现的。为了实现强相互作用,我们采用了两个里德堡态的电偶极允许跃迁,这改变了栅极电容器的电介质的极化率。以不同速率扫描栅极电压导致混合量子态的精确控制。此外,我们展示了一个通用的两量子比特门的可能实现。
2016-04-01 physics.atom-ph quant-ph
Millimeter Wave Readout of a Superconducting Qubit
National Institute of Standards and Technology(美国国家标准与技术研究院);University of Colorado Boulder(科罗拉多大学博尔德分校);University of Maryland, College Park(马里兰大学帕克分校);University of Waterloo(滑铁卢大学)
研究利用毫米波与transmon量子比特的相互作用,通过大频率差抑制驱动引起的非期望态跃迁,实现高保真度量子比特读取。
2026-11-02 quant-ph
Quantum simulation of Anderson and Kondo lattices with superconducting qubits
我们介绍了各种超导电路之间的映射和一个家庭的哈密顿描述本地化的磁性杂质与导带相互作用。这包括安德森模型,单杂质单通道和双通道近藤问题,以及1D近藤晶格。我们将使用所提出的电路进行量子模拟的要求与使用超导量子比特进行通用量子计算的要求进行比较,并指出必须解决的具体挑战。
2008-01-25 cond-mat.mes-hall quant-ph
Two-qubit gate in neutral atoms using transitionless quantum driving
中性原子系统作为实现基于门的量子计算的一个有前途的平台,因为它能够捕获和控制不同几何形状的几个原子量子比特,并且能够在量子比特之间进行强的,长距离的相互作用;然而,两个量子比特纠缠门保真度落后于竞争平台,如超导系统和捕获的离子。我们工作的目的是设计一个快速,鲁棒,高保真度的控制Z(CZ)门,基于里德堡封锁机制,中性原子。我们提出了一个门程序,依赖于同时和无跃迁的量子驱动的一对原子使用宽带激光。通过模拟两个相互作用的铯原子系统,包括激发态的自发发射和参数涨落,我们得到了一个在$0.12~μ$ s操作时间内保真度为0.9985的里德伯阻塞CZ门。我们的门程序提供CZ门,优于国家的最先进的实验CZ门和模拟CZ门的基础上绝热驱动的原子。我们的研究结果表明,我们的门程序进行重大的潜力,实现可扩展的量子计算使用中性原子。
2022-06-17 quant-ph
Protocol for universal gates in optimally biased superconducting qubits
我们提出了一个新的实验协议,用于在由固定的片上线性电抗耦合的超导量子比特寄存器中执行通用门。量子比特具有固定的失谐拉莫尔频率,并且在整个门操作期间可以保持偏置在其最佳工作点,在该最佳工作点处,由于控制参数的波动引起的退相干被抑制到一阶。双量子比特门通过以适当的幅度和相位在其各自的拉莫尔频率下同时照射两个量子比特来执行,而单量子比特门通过通常的单量子比特照射脉冲来执行。
2004-12-01 cond-mat.supr-con quant-ph
Realization of an n-qubit controlled-U gate with superconducting quantum interference devices or atoms in cavity QED
提出了一种利用超导量子干涉器件在腔QED中实现$n$量子比特控制的$U$门的方法。在这种方法中,SQUID的两个最低能级代表量子位的两个逻辑状态,而较高能量的中间能级则用于门操作。我们的方法基本上通过创建一个单光子通过控制SQUID之一,然后在目标SQUID上进行任意幺正变换与腔光子的协助下。此外,我们还证明了该方法可以应用于腔QED中的原子量子位实现$n $ %量子位控制的$U$门。
2006-02-01 quant-ph
Hybrid atom-photon entangling gates via Gaussian soft control
提出基于高斯软控制的超导共面波导谐振器原子-微波光子受控Z门方案,通过高斯调制辅助场增强强耦合并提升门对参数偏差和能级移动的鲁棒性。
2024-06-14 physics.atom-ph quant-ph
Extensive multipartite entanglement from su(2) quantum many-body scars
最近在里德伯原子量子模拟器中对弱遍历性破缺的实验观察引发了人们对量子多体疤痕的兴趣-本征态,由于不依赖于可积性或全局对称性的保护的新机制,在有限的能量密度下逃避热化。量子多体伤疤的一个显著特征是它们的子体积二分纠缠熵。在这项工作中,我们证明了这样的精确的多体疤痕也具有广泛的多体纠缠结构,如果它们源于一个su(2)谱生成代数。我们分析表明,通过缩放的量子费舍尔信息,这被发现是超广泛的确切疤痕本征态相比,通用的热状态。此外,我们还数值研究了PXP模型中里德伯原子的多体纠缠特征,结果表明通过全局猝灭实验可以动态地产生大量的量子费舍尔信息密度.我们的研究结果确定了一个丰富的多体相关结构的疤痕状态具有显着的潜力,作为一种资源,在量子增强计量学。
2022-07-07 cond-mat.stat-mech quant-ph
Deterministic remote entanglement of superconducting circuits through microwave two-photon transitions
大规模的量子信息处理网络很可能需要不直接相互作用的遥远系统的纠缠。这可以通过在用作存储器或本地计算资源的站立信息载体和用作量子总线的飞行信息载体之间执行纠缠门来实现。我们报道了两个远距离传输量子比特通过喇曼受激发射和一个行波包的吸收而产生的确定性纠缠。我们实现了73%的贝尔态保真度,很好地解释了传输线中的损耗和每个量子比特的退相干。
2017-12-15 quant-ph
Control and Tomography of a Three Level Superconducting Artificial Atom
许多超导量子位,例如transmon或相位量子位,具有具有小非谐性的能级结构。这允许方便地获得具有相似频率的较高激发态。然而,在使用短控制脉冲时,必须特别注意避免不必要的较高水平的群体。在这里,我们演示了在transmon中使用最优控制技术制备任意三能级叠加态。通过色散读出,我们提取了三个能级的布居数,并研究了其激发态的相干性。最后,我们展示了完整的量子态层析的准备quutrit状态和评估的一组状态的结晶度,发现平均96%。
2010-04-30 quant-ph