Multiplexed quantum repeaters based on dual-species trapped-ion systems
被捕获的离子形成用于量子信息处理的先进技术平台，其具有长量子位相干时间、高保真量子逻辑门、光学活性量子位以及在保持量子位之间的高水平连接性的同时按比例放大尺寸的潜力。这些特性使它们不仅对量子计算有吸引力，而且对量子网络也有吸引力。专用的、特殊用途的捕获离子处理器结合合适的互连硬件可以用于形成量子中继器，其使得能够在网络中的远程捕获离子量子计算机之间进行高速率量子通信。在这方面，已经提出了具有两种不同种类的离子的混合陷阱用于纠缠分布，其中一种离子种类可以产生离子-光子纠缠，这对于与网络的光学接口是有用的，而另一种离子种类具有长的存储寿命，对于量子比特存储是有用的。我们考虑一个架构的中继器的基础上，这样的双物种捕获离子系统。我们提出并分析了一个协议的基础上的空间和时间模式复用的纠缠分布在这样的中继器的线网络。我们的协议提供了增强的速率相比，以前报告的速率为这样的中继器。我们确定在中继器所需的离子资源，以达到增强的速率，以及最佳的速率时，可达到的限制被放置在中继器的数量和每个中继器的离子的数量。我们的研究结果支持了短期捕获离子系统作为长距离量子通信的量子中继器的情况。
2022-02-26 quant-ph
Distributing entangled state using quantum repeater protocol: Trapped atomic ions in optomechanical cavities
研究了利用量子中继协议实现囚禁原子离子纠缠态的远距离分布。实际上，长距离被分成短的部分，然后在光机械腔中使用纠缠产生和纠缠交换技术，纠缠被分发。为了完成这项任务，我们在光机械腔中执行捕获的原子离子之间的相互作用，对捕获的离子进行适当的测量，并将Bell态测量作为一种众所周知的交换纠缠的方法。相应地，纠缠分布在目标离子之间，具有令人满意的成功概率和纠缠度值。计算了泵浦光的失谐量和振幅对纠缠度和成功几率的影响。随着失谐量的增加，纠缠度和成功概率的起伏减小。通过增加泵浦光的振幅，纠缠的极大值会重复出现更多次，成功几率会经历一个反转-恢复现象。
2021-05-28 physics.atom-ph quant-ph
Quantum repeaters with individual rare-earth ions at telecommunication wavelengths
我们提出了一个量子中继方案，是基于个别铒和铕离子。铒离子是有吸引力的，因为它们在电信波长发射光子，而铕离子提供特殊的自旋相干性，用于长期存储。遥远的铒离子之间的纠缠是由光子探测产生的。正如最近所证明的，每个铒离子的光子发射率被具有高Purcell因子的微腔增强。然后，纠缠转移到附近的铕离子中进行存储。使用动态控制的电偶极耦合进行附近离子之间的栅极操作。这些门操作允许采用纠缠交换，以延长纠缠分布的距离。门操作的确定性特征允许与基于原子系综的协议相比改进的纠缠分发速率。我们还提出了一种方法，利用多路复用，以提高纠缠分布率。
2018-08-29 cond-mat.mtrl-sci physics.atom-ph quant-ph
Near-term performance of quantum repeaters with imperfect ensemble-based quantum memories
我们研究了几个量子中继协议与光子（单光子和光子对）源和基于原子系综的量子存储器的有意义的原理证明的可行性。我们考虑到非单位内存效率随时间呈指数衰减，这使得计算中继率变得复杂。我们讨论的实现基于量子点，参数下转换，稀土离子掺杂晶体，和里德伯原子。我们的研究结果为长距离量子中继器演示的近期实施提供了指导，这表明这种演示在当前技术的范围内。
2019-12-03 quant-ph
A perspective on the pathway to a scalable quantum internet using rare-earth ions
本文展望了基于稀土离子构建可扩展量子互联网的路径，概述了量子中继器的核心功能，讨论了稀土离子掺杂材料在开发中继器方面的进展与挑战，重点关注铒元素的应用，并提出了指导近期量子网络发展的基准。
2023-05-03 quant-ph
Protocols for long-distance quantum communication with single $^{167}$Er ions
我们设计了一个量子中继器结构，它是将$^{167}$ Er离子单独掺杂到Y $_2$ SiO $_5$晶体中。这种离子是一个有前途的候选人的中继协议，因为它的超精细相干时间长，除了它的能力，在电信波长范围内发射光子。为了在长距离上分配纠缠，我们提出了两个不同的交换门附近的离子之间使用的虚腔光子的交换和电偶极-偶极相互作用。我们分析了他们的预期表现，并讨论了他们的优势和劣势。然后，我们表明，后选择的方法可以实现通过监测腔发射，以提高虚拟光子交换方案的门保真度。最后，我们使用我们的结果的交换门估计的端到端的保真度和分配率的协议。
2020-09-05 quant-ph
Design and Analysis of Communication Protocols for Quantum Repeater Networks
我们分析了量子中继器网络的性能如何取决于用于分发纠缠的协议，并且我们发现中继器到中继器链路协议的选择对通信速率作为硬件参数的函数具有深远的影响。我们开发了使用不同协议的量子网络的数值模拟，其中中继器硬件根据关键性能参数（如光子产生速率和收集效率）进行建模。这些参数的动机是最近的实验演示量子点，囚禁离子，金刚石中的氮空位中心。我们发现，一个量子点中继器与最新的协议（“中点源”）提供了最高的通信速率时，有很低的概率建立纠缠每次传输，在某些情况下，该速率的数量级高于其他计划。我们的模拟工具可用于评估通信协议，作为设计大规模量子网络的一部分。
2015-05-06 quant-ph
Quantum Repeaters with Photon Pair Sources and Multi-Mode Memories
我们提出了一个量子中继器协议，它建立在著名的DLCZ协议[L.M. Duan，医学博士Lukin，J.I. Cirac和P.Zoller，Nature 414，413（2001）]，但是其使用与允许存储大量时间模式的存储器组合的光子对源。我们建议基于光子回波原理，利用掺杂稀土离子的固体实现这种多模存储器。多模式存储器的使用承诺加速纠缠产生的几个数量级和显着减少的稳定性要求相比，DLCZ协议。
2007-04-05 quant-ph
A Quantum Repeater Node with Trapped Ions: A Realistic Case Example
我们评估的可行性，实施两个量子中继协议与现有的实验平台的基础上$^{40}$钙$^+$ -离子在一个分段的微阱，和第三个，需要小的变化的平台。光纤腔作为离子-光界面。其小模体积允许$g_c = 2 π20$ MHz的大耦合强度，尽管相对较大的损耗$κ= 2 π36.6$ MHz。在光纤直径为125 μ m的情况下，腔体被集成到微结构化离子阱中，微结构化离子阱又被用于将单个离子输送进出光纤腔体中的相互作用区。我们评估的纠缠产生率为一个给定的保真度使用参数的实验装置。DLCZ方案（Duan等人，Nature，2001，414，413-418）和混合方案（van Loock等人，Phys. Rev. Lett.，2006，96，240501）优于EPR方案（Sanguard等人，New J. Phys.，2013，15，085004）。我们计算的速率超过35秒$^{-1}$的非本地贝尔状态的结晶度大于0.9与现有的平台。我们确定的参数，主要是限制可达到的速率，并得出结论，纠缠产生率740秒$^{-1}$在结晶度为0.9的范围内与目前的技术。
2016-04-22 physics.atom-ph quant-ph
Entanglement Distribution in Multi-Platform Buffered-Router-Assisted Frequency-Multiplexed Automated Repeater Chains
实现跨越全球的量子网络是当前全球的目标，其中近期和长期的实现将受益于针对特定任务优化的平台之间的连接。为此，本文提出了一种量子网络架构，其中基于NV $^-$色心的量子处理设备充当量子路由器，并且在量子路由器之间，通过基于稀土离子掺杂晶体中的吸收性量子存储器和不完美纠缠光子对源的光谱复用量子中继器来实现长距离纠缠分布。中继器和路由器之间的量子缓冲器结构的列入，虽然增加了复杂性，提高了可实现的纠缠分布率在网络中。虽然预期的速率和保真度结果是针对简单的线性网络（点对点）提出的，但复杂的拓扑结构通过在量子路由器的操作中包括额外的时间复用层而与所提出的架构兼容。根据文献中发现的参数提取的优点图为近期的情况下，并证明拟议的缓冲路由器辅助频率复用自动中继器链网络的可用性。
2021-06-10 quant-ph
Two dimensional quantum repeaters
开发量子网络的努力引起了一个快速发展的领域，其应用范围广泛，如安全通信和分布式计算任务的实现。这最终要求创建灵活的多用户结构，允许网络中任意对方之间的量子通信，并促进多用户应用。为了解决这一挑战，我们提出了一种2D量子中继器架构，以在存在信道噪声和不完美的本地控制操作的情况下，在多个通信伙伴之间建立共享的长距离纠缠。该方案是基于在越来越大的规模上创建自相似多量子比特纠缠结构，其中纠缠交换和多方纠缠纯化的变体相结合，以创建高保真纠缠态。我们展示了如何使用腔中的捕获离子来实现这样的网络。
2016-11-25 quant-ph
Extending Quantum Links: Modules for Fiber- and Memory-Based Quantum Repeaters
我们分析了基于光纤通道和存储站的量子中继器的基本构建模块。实现被认为是三个不同的物理平台，其中合适的组件是可用的：量子点，被困原子和离子，以及钻石中的色心。我们评估和比较了这些平台的基本量子中继器链路的性能，包括目前最先进的实验参数以及原则上可以在未来达到的参数。最终的目标是实验探索制度，在中间距离，高达几百公里，其中中继器辅助的密钥传输速率超过最大速率可通过直接传输。我们考虑两种不同的协议，其中一种更好地适应更高的源时钟速率和更低的存储器相干时间的量子点平台，而另一种则避免了需要写入光子量子态到存储器中的一个预兆，非破坏性的方式。基本构建块和协议可以以模块化形式连接，以构建潜在可扩展到大距离的量子中继器系统。
2019-12-20 quant-ph
Requirements for a processing-node quantum repeater on a real-world fiber grid
本研究利用NetSquid模拟真实光纤网格中的处理节点量子中继器，结合遗传算法确定了实现可验证盲量子计算的最小硬件要求，揭示了理想化设置对硬件需求评估的失真影响。
2023-10-20 quant-ph
Entanglement distribution between quantum repeater nodes with an absorptive type memory
量子中继器是长距离量子通信中不可缺少的设备，是将纠缠从短距离扩展到长距离的必要条件，然而，即使是在相邻中继器节点之间，也无法实现高速率的纠缠分发。在C. Jones等人，在New J.Phys.18，083015（2016）中，针对多个量子点、金刚石中的氮空位中心和被用作中继器节点内部的量子存储器的捕获离子，计算了相邻中继器节点之间的纠缠分布率。考虑到实际应用，利用现有技术布置多个量子存储器变得如此困难。希望用尽可能少的存储晶体实现高速率纠缠分发。本文提出了一种新的基于原子频率梳的单量子存储器纠缠分配方案，该方案可以实现单晶体的时间多模操作。与以往研究的直接产生自旋光子纠缠的量子存储器相比，所采用的吸收型量子存储器降低了多模操作的难度。结果表明，与C. Jones等人，New J. Phys. 18，083015（2016），并且通过利用最先进的技术接近实验实施。
2021-07-23 quant-ph
Quantum networks using rare-earth ions
本文回顾了基于稀土离子掺杂晶体构建量子网络光-物质界面的研究，重点介绍其在光子源、光量子存储和量子比特方面的适用性，并展望了量子中继链路的发展方向。
2025-01-10 quant-ph
Ion crystal transducer for strong coupling between single ions and single photons
提出并分析了在离子晶体中实现单光子与单离子量子界面的一种新方法。在我们的方法中，通过离子晶体的集体自由度来增强单个光子和单个离子之间的耦合。应用包括单光子产生，量子中继器的存储器，和确定性的光子光子，光子声子，或光子离子纠缠进行了讨论。
2011-07-11 quant-ph
Initial experiments concerning quantum information processing in rare-earth-ion doped crystals
本文介绍了在固态材料中构造简单量子门的初步实验。其目的不是使用特别定制的材料，而是选择材料中随机分布的离子的子集，这些离子具有相互控制所需的相互作用，因此可以用于进行量子逻辑运算。实验结果表明，非均匀加宽的吸收线的一部分可以被选择作为量子比特，并且材料中的离子子集可以控制其他离子的共振频率。这为在稀土离子掺杂晶体中构建量子门开辟了道路。
2002-01-30 quant-ph
Scalable designs for quantum computing with rare-earth-ion-doped crystals
由于非均匀加宽，晶体中稀土离子掺杂的吸收线比均匀线宽宽许多数量级。已经提出了几种方法来使用具有不同非均匀移位的离子作为量子位寄存器，并且借助于离子之间的静态偶极耦合来执行这样的寄存器之间的门操作。在本文中，我们表明，为了实现高保真度量子门操作的静态偶极相互作用的装置，我们需要参与的离子是强耦合的，和这种强耦合寄存器的密度一般规模与寄存器的大小不佳。虽然这是至关重要的，以前的建议，依赖于高密度的功能寄存器，我们描述的架构和准备策略，将允许可扩展的量子计算机的基础上，稀土离子掺杂的晶体。
2006-01-20 quant-ph
A telecom-wavelength quantum repeater node based on a trapped-ion processor
本研究提出基于囚禁离子的通信波长量子中继器节点，实现50公里光纤两端光子纠缠，并测算出构建800公里级纠缠网络的系统改进路径，为分布式量子网络提供近期可行方案。
2023-02-15 physics.atom-ph quant-ph
Single-photon-level optical storage in a solid-state spin-wave memory
长寿命的量子存储器是实现量子中继器方案的严格要求。固态稀土离子掺杂系统的最新进展证明了它们作为这种系统的非常强有力的候选者的地位。然而，迄今为止，基于单光子水平的自旋波存储的光学存储器还没有在这样的系统中显示，这对于实现量子中继器所需的长存储时间至关重要。在这封信中，我们表明，它是可能的，执行一个完整的原子频率梳（AFC）计划，包括自旋波存储，与弱相干脉冲的$\bar{n} = 2.5 \pm 0.6$光子每脉冲。我们详细讨论了获得这一结果所需的实验步骤，并证明了存储的时间仓脉冲的相干性。我们展示了存储过程中每个模式的$(7.1 \pm 2.3)10^{-3}$光子的噪声水平，这种相对较低的噪声水平为未来在稀土掺杂晶体中使用自旋波的量子光学实验铺平了道路。
2013-01-29 quant-ph
Hybrid Quantum Repeaters with Ensemble-based Quantum Memories and Single-spin Photon Transducers
QuTech, Delft University of Technology（代尔夫特理工大学 QuTech）；Pritzker School of Molecular Engineering, University of Chicago（芝加哥大学普里茨克分子工程学院）；Department of Applied Physics, University of Geneva（日内瓦大学应用物理系）；Constructor University（Constructor 大学）；Department of Physics, Harvard University（哈佛大学物理系）
本文提出一种混合量子中继架构，结合集合型量子记忆和单自旋光子转换器，以提升长距离量子通信的性能和速率。
2024-04-26 quant-ph
Frequency-multiplexed Hong-Ou-Mandel interference
实现长距离量子通信所需的量子中继器需要产生分布在基本链路之间的量子纠缠。这些纠缠必须通过贝尔态测量在量子中继器之间交换。本研究的目的是通过频率复用Bell态的测量来提高纠缠的产生率。作为频率复用贝尔态测量的预备步骤，通过使用弱相干态在$\mathrm{Pr^{3+}}$离子掺杂$\mathrm{Y_2SiO_5}$晶体中制备的原子频率梳将三个频率模式映射到时间模式，并且通过符合检测在每个频率模式中观察到Hong-Ou-Mandel干涉，该干涉是两个输入的不可分辨性的量度。所有模式的可见度为40%-42%（理论上高达50%）。此外，我们表明，避免了不同模式的混合。目前的结果与频率选择性贝尔态测量有关，因此与频率复用量子中继器有关。
2023-03-17 quant-ph
Proposal for transduction between microwave and optical photons using $\mathrm{^{167}Er}$-doped yttrium orthosilicate
可逆地将光和微波量子信号相互转换的高效换能装置对于集成不同的技术至关重要。固体中的稀土离子，特别是铒离子，具有光学和微波可寻址跃迁，是设计换能器的有希望的候选者。我们提出了一个微波到光量子转换器方案的基础上的暗态协议的$\mathrm{^{167}Er}$掺杂到原硅酸钇（YSO）在零外磁场。零场操作对于可能在磁场中引起额外损耗的超导谐振器是有益的。通过计算换能器的保真度和效率，考虑到最重要的缺陷，我们表明，一个有效的转换是可能的高保真度。我们还调查了微波跃迁的$\mathrm{^{167}Er}$：YSO，可用于换能器协议。
2022-07-04 quant-ph
Extracting high fidelity quantum computer hardware from random systems
综述了基于稀土离子掺杂无机晶体的量子计算机硬件的发展现状和前景。在这方面的实验工作的主要部分已经完成了两个地方，澳大利亚堪培拉和瑞典隆德，目前的描述如下更密切的隆德工作。将描述的技术包括最初不均匀加宽的轮廓的最佳滤波，直到良好分离和窄的集合，以及使用先进的脉冲整形，以便实现具有高于90%的重复率的鲁棒的任意单量子比特操作，如由量子态断层扫描所表征的。预计这些系统的完全可扩展性将需要确定单个稀土离子状态的能力。有人提出，这可以使用特殊的读出离子掺杂到晶体和更新的工作，找到和表征这样的离子。最后，几个方面的可能性远程纠缠的离子在单独的稀土离子掺杂晶体被认为是。
2010-01-11 quant-ph
Towards highly multimode optical quantum memory for quantum repeaters
由于光纤损耗，通过光纤进行的长距离量子通信目前仅限于几百公里。量子中继器可以将这一限制扩展到大陆距离。量子中继器的大多数方法需要高度多模量子存储器，以达到高通信速率。原子频率梳状存储器方案原则上可以实现高时间多模存储，而不牺牲存储器效率。然而，以前的演示受到了创建高分辨率原子梳的困难的阻碍，这降低了多模存储的效率。在这篇文章中，我们提出了一个梳准备方法，允许一个固定的内存带宽，以增加多模容量。我们将该方法应用于$^{151}$ Eu $^{3+}$掺杂Y $_2$ SiO $_5$晶体，其中我们演示了使用AFC回波方案（延迟线存储器）存储51个$μ$的100个模式，以及使用AFC自旋波存储器（按需存储器）存储50个模式0.541 ms。我们还简要地讨论了最终的多模限制所施加的光退相干率，对于一个固定的存储器带宽。
2015-12-09 physics.optics quant-ph
Coherent spectroscopy of rare-earth-ion doped whispering-gallery mode resonators
我们进行调查的性质Pr3+：Y2SiO5回音壁模式谐振器的第一步实现强耦合制度的腔QED与稀土离子掺杂晶体。利用光子回波直接测量了腔QED参数，与理论预测符合得很好。通过将谐振器表面的离子与中心的离子进行比较，可以确定制造谐振器的物理过程不会对离子的性质产生负面影响。通过光学双稳和简正模分裂的观察，分析了离子与谐振腔之间的耦合。
2011-04-21 cond-mat.other quant-ph
Quantum Internet: Resource Estimation for Entanglement Routing
Airbus Central Research and Technology（空客中央研究与技术）；Institute for Quantum Physics and Center for Optical Quantum Technologies, University of Hamburg（汉堡大学量子物理研究所与光学量子技术中心）；The Hamburg Centre for Ultrafast Imaging（汉堡超快成像中心）
本文研究了量子互联网中纠缠路由的资源估算，指出两量子比特门错误率需低于1.3%才能实现高效扩展，并发现离子陷阱和钻石色心是当前最佳方案。
2025-04-24 quant-ph
Long optical coherence times and coherent rare earth-magnon coupling in a rare earth doped anti-ferromagnet
本研究在反铁磁钒酸钆中掺铒，利用低温下有序的电子自旋实现长光学相干时间，并观察到铒与钆磁振子的强耦合，为微波-光学量子转换提供新途径。
2025-03-14 quant-ph
Reducing classical communication costs in multiplexed quantum repeaters using hardware-aware quasi-local policies
针对多路复用量子中继器链，本文提出硬件感知的准局部决策策略，以较低经典通信成本提升性能，并结合实验与两类存储器平台仿真验证其可行性。
2025-05-12 quant-ph
Optical Investigations of Coherence and Relaxation Dynamics of a Thulium-doped Yttrium Gallium Garnet Crystal at sub-Kelvin Temperatures for Optical Quantum Memory
本文在约500 mK下表征Tm:YGG的光学相干与能级寿命，揭示光谱扩散导致的相干衰减，并演示原子频率梳协议的时频复用光存储。
2024-06-12 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Time-delayed single satellite quantum repeater node for global quantum communications
本文提出用一颗携带两个量子存储器的单卫星实现时间延迟量子中继节点，以QKD为基准证明其安全密钥生成性能较单存储器方案提升至少三个数量级，并给出基于稀土离子掺杂晶体的实验平台。
2023-09-15 physics.space-ph quant-ph
Direct formation of nitrogen-vacancy centers in nitrogen doped diamond along the trajectories of swift heavy ions
本文报道了用深度分辨光致发光法测量了在生长过程中掺氮100 ppm的Ib型合成单晶金刚石中沿快重离子（SHIs）径迹形成的氮空位（NV $^-$）中心。光谱分析表明，NV $^-$中心优先形成的区域内，其中电子停止过程占主导地位，而不是在离子范围的末端，其中弹性碰撞导致形成的空位和缺陷。热退火进一步增加NV收益率照射后，优先在高空位密度的区域与SHI。沿着单个快速重离子的轨道形成的NV中心可以用提升技术分离，用于在准一维寄存器中探索色心量子位，其平均量子位间距为几纳米，沿着10至30微米长的渗滤链每微米约100个色心。
2021-03-01 cond-mat.mtrl-sci physics.acc-ph quant-ph
Spectral Multiplexing of Rare-earth Emitters in a Co-doped Crystalline Membrane
本文在共掺杂铒和铕的硅酸钇晶体薄膜法布里-珀罗谐振腔中，实现了超过360个量子比特的高保真光谱复用，Purcell因子超过35，并保持光学相干性，为量子中继器和分布式量子计算提供了平台。
2024-03-19 quant-ph
Persistent atomic frequency comb based on Zeeman sub-levels of an erbium-doped crystal waveguide
晶体中稀土离子电子基态流形的长寿命子能级可以用作光子回波量子存储器的原子布居库。我们测量了掺铒离子的塞曼子能级的动态，发现在低温下的粒子数寿命长达几秒钟。然后，利用这些水平，我们制备和表征原子频率梳，它可以作为一个存储器的量子光在1532 nm波长。结果允许预测0.1\%的存储效率，主要是由不必要的背景吸收，我们推测是由二能级系统（TLS）和铒自旋之间的耦合引起的限制。因此，虽然应该有可能在Er $^{3+}$：Ti $^{3+}$：LiNbO $_3$中创建基于AFC的量子存储器，但将需要改进的晶体生长以及优化的AFC制备以使其适合于量子通信中的应用。
2019-07-19 quant-ph
Rare Earth Ions Doped Mixed Crystals for Fast Quantum Computers with Optical Frequency Qubits
讨论了利用高掺杂稀土离子（REIs）的混合晶体作为物理系统，建立采样时间为纳秒的快速量子计算机的可能性。提出了稀土离子的电子4f态作为光频量子比特能级，其Judd-Ofelt矩阵U（2）的对角元素值较小. CNOT和其他条件门操作是通过将稀土离子激发到具有U（2）的大对角元素的4f状态来执行的，从而引起斯塔克阻断。据发现，负责这种封锁的主要相互作用是四极-四极相互作用。混晶中电子跃迁频率的大的非均匀展宽和4f电子与声子的弱相互作用使得量子比特的高计算速率和长的退相干时间成为可能。最接近的REI的集合被描述为可以充当OQC实例;可以使用光谱烧孔方法找到相应量子位的频率。
2021-01-19 cond-mat.mtrl-sci physics.optics quant-ph
Dynamic control of Purcell enhanced emission of erbium ions in nanoparticles
单量子发射体与光学腔的相互作用使得能够实现有效的自旋光子接口，这是量子网络的重要资源。腔中量子发射体的自发发射速率的动态控制在量子技术中具有重要意义，例如，用于成形发射的光子波形，用于产生量子纠缠，或用于相干地驱动光学跃迁同时防止光子发射。在这里，我们展示了动态控制的珀塞尔增强发射的铒离子掺杂到纳米粒子的一个小合奏。通过将掺杂的纳米颗粒嵌入到完全可调谐的基于高精细度光纤的光学微腔中，我们表明，我们可以通过以亚纳米精度控制其长度来调谐谐振腔，在时间尺度上比铒离子的自然寿命快两个数量级。这使我们能够实时塑造Purcell增强的离子发射，并实现对发射光子波形的完全控制。这种能力为实现固态自旋和具有可控波形的单个电信光子之间的有效纳米级量子接口以及实现耦合到光学腔的稀土离子量子比特之间的量子门开辟了前景。
2020-01-23 quant-ph
A naturally trapped rare-earth doped solid-state superradiant laser clock
提出了一种对腔镜振动几乎不敏感的固体超辐射激光器。因此，它可以与最好的频率稳定的本地振荡器竞争。长的相干时间和大的光密度的稀土离子（REIs）掺杂的固体被用来找到一个政权，以证明一个稳定状态的激光发射线宽小于原子衰变率。根据平均场论，讨论了实验参数，计算了腔内光子数和激光线宽。提出了一种测量激光绝对线宽的方法。
2020-03-31 quant-ph
Towards long-distance quantum networks with superconducting processors and optical links
我们设计了一个量子中继器架构，需要长距离量子网络，使用最近提出的微波猫态量子比特，形成和操纵通过超导非线性元件和微波腔之间的相互作用。这些量子位对于中继器特别有吸引力，因为除了作为具有确定性门操作的优秀计算单元之外，它们还具有足够长的相干时间来处理不可避免的传播延迟。由于微波光子的能量太低，不能携带量子信息在长距离，作为一个中间步骤，我们扩大了最近提出的微波光转换协议使用稀土离子（$\mathrm{Er^{3+}}$）掺杂晶体的激发态。为了提高纠缠分配率，我们建议使用频谱复用，通过在每个节点处采用腔阵列。我们比较我们的可实现的速率与直接传输和其他两个有前途的中继器的方法，并表明，我们可以在适当的制度，即使在现实的缺陷和噪声的存在下，更高，同时保持合理的最后状态的高性能。因此，在短期内，我们的工作可以直接用于安全的量子通信，而从长远来看，我们可以设想一个大规模的分布式量子计算网络建立在我们的架构。
2019-08-11 quant-ph
Cavity-enhanced narrowband spectral filters using rare-earth ions doped in thin-film lithium niobate
本研究在薄膜铌酸锂集成平台中利用掺稀土离子环形谐振器，通过光谱烧孔在4K和100 mK下实现了腔增强的窄带带通与带阻滤波器，线宽最窄达681 kHz，为片上光信号处理和光存储提供了基础组件。
2024-05-30 physics.optics quant-ph
A Cluster-Based Model of the Spectrum of Erbium-Doped GdVO$_4$
Basic Research Laboratories, NTT, Inc.（NTT公司基础研究所）；Department of Physics, University of Otago（奥塔哥大学物理系）；Dodd-Walls Centre for Photonic and Quantum Technologies（多德-沃尔斯光子与量子技术中心）
研究掺铒钆钒酸盐光谱，提出基于团簇模型，其拟合参数少且物理起源清晰，与实验光谱相符，有助于预测未来实验中微波到光的转换。
2026-07-14 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Hybrid quantum repeater based on dispersive CQED interactions between matter qubits and bright coherent light
我们描述了一个长距离分布的量子纠缠系统，在该系统中，具有大平均光子数的相干光与光学腔中的单个远失谐原子或半导体杂质色散相互作用。纠缠是预示着零差检测使用第二个明亮的光脉冲的相位参考。使用明亮的脉冲导致高的成功概率的纠缠的产生，在较低的初始保真度的成本。这种保真度可以通过使用相同的物理资源实现的纠缠纯化技术来提高。与使用单光子或弱相干脉冲与现实探测器的预示性纠缠方案相比，对更多纯化步骤的需求得到了很好的补偿。较低的初始保真度的主要原因是光纤损耗;然而，在色散原子/腔相互作用期间的自发衰减和腔损耗也会损害性能。我们表明，这些影响可能会被最小化的发射极腔系统中的弱耦合制度，只要共振Purcell因子大于1，腔是过耦合，和光脉冲足够长。我们支持这一主张的数值，半经典计算使用参数为三个现实的系统：光学明亮的施主结合杂质，如19-F：ZnSe与中等Q微腔，光学暗淡的31-P：Si系统与高Q微腔，和捕获的离子在大，但非常高Q腔。
2006-10-19 quant-ph
Simulation of Quantum Magnetism in Mixed Spin Systems with Impurity Doped Ion Crystal
我们提出实现包含不同原子种类的冷离子线性晶体，用于研究自旋系统中的量子相变和阻挫效应，而不是通常讨论的$s=1/2$的情况。离子之间的相互自旋-自旋相互作用可以通过施加具有强梯度的振荡磁场经由塞曼效应来定制。此外，混合离子晶体中的集体振动模式可用于增强和改变自旋-自旋相互作用的强度，甚至将这些力从铁磁性转变为反铁磁性。研究了自旋S=3的高磁矩离子掺杂自旋为1/2的离子晶体中有效自旋-自旋耦合的行为。我们分析了基态相图，并找到不同的自旋顺序，包括亚铁磁态的区域。在最简单的非平凡例子中，我们处理具有$\{1/2,3,1/2}$自旋的线性$\{$ Ca $^+$，Mn $^+$，Ca $^+\}$晶体。为了展示当前最先进实验的可行性，我们讨论了如何使用离子晶体的集体Stern-Gerlach效应和高分辨率光谱来检测量子相位。在此，指示剂自旋1/2离子（物质$^{40}$ Ca $^+$）的状态相关激光诱导荧光也揭示了模拟自旋3离子（$^{50}$ Mn $^+$）的自旋状态，因为这不具有用于光学激发和检测的合适能级。
2011-05-03 cond-mat.str-el quant-ph
An Integrated Photonic Platform for Rare-Earth Ions in Thin Film Lithium Niobate
掺杂在单晶中的稀土离子系综材料在光信号处理、激光和量子信息处理等领域具有广泛的应用前景。将稀土离子注入集成光子器件可以实现紧凑的激光器和调制器，以及用于经典和量子光学应用的片上光量子存储器。为此，非常需要与集成光子器件的平面制造兼容的薄膜单晶晶片结构。然而，将稀土离子结合到薄膜形状因子中，同时保持其光学性质已被证明具有挑战性。我们展示了一个集成的光子平台，用于在绝缘体上的单晶薄膜中掺杂稀土离子。所述薄膜由掺杂有Tm 3+的钛酸锂组成。在薄膜中的离子表现出相同的光学寿命在大块晶体中测量。我们显示窄光谱孔的薄膜波导，需要高达2个数量级的低功率产生比以前报道的散装波导。我们的研究结果为可扩展的片上激光器，光信号处理设备和集成光量子存储器铺平了道路。
2019-11-14 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Microscopic model of spin flip-flop processes in rare-earth-ion-doped crystals
在稀土离子掺杂晶体中，相邻离子间的磁偶极-偶极相互作用引起的翻转过程是超精细能级间弛豫的机制之一。到目前为止，这种机制的建模是宏观的，其特征在于描述所有离子弛豫的平均速率。然而，在这里，我们提出了一个微观模型的触发器之间的相互作用的掺杂剂离子的个别核自旋。每个离子都位于晶体中独特的局部环境中，其中每个离子相对于其最近的邻居具有不同的距离和独特的取向，这由晶格结构决定。因此，每个离子具有唯一的触发器速率，并且块晶体中所有离子的集体弛豫动力学是许多指数衰减的总和，从而产生速率分布而不是单个平均衰减速率。我们利用这个模型计算了Pr $^{3+}$：Y $_2$ SiO $_5$的翻转率，并给出了$\sim$ 2 K下基态超精细能级粒子数衰减的实验测量结果.我们还提出了一种新的方法来测量个人的过渡率从烧孔光谱，需要显着更少的拟合参数的理论速率方程相比，早期的工作。此外，我们测量了外部磁场对触发器速率的影响，并观察到在5 - 10 mT的磁场中，速率减慢了两个数量级。
2022-05-03 physics.atom-ph quant-ph
Indistinguishable telecom band photons from a single erbium ion in the solid state
本研究将Er³⁺注入CaWO₄以降低光谱扩散，实现了固态单个铒离子产生的不可区分电信波段光子，观测到高可见度Hong-Ou-Mandel干涉与长自旋弛豫时间，推动了电信波段量子中继器网络的构建。
2023-01-09 physics.atom-ph quant-ph
Electron-spin spectral diffusion in an erbium doped crystal at millikelvin temperatures
掺铒晶体为混合量子器件提供了一个通用平台，因为它们将磁敏电子自旋跃迁与电信波长光跃迁结合在一起。然而，在许多量子应用所需的高掺杂浓度下，电子自旋浴的强磁相互作用会导致过度的光谱扩散和快速的退相干。在这里，我们光刻制作的4.4 GHz的超导平面微谐振器上的$\text{CaWO}_{4}$晶体掺杂Er离子的浓度为百万分之二十相对于钙。使用微波谐振器，我们的特点是光谱扩散过程，限制了电子自旋相干的Er离子在毫开尔文温度下，通过应用2-和3-脉冲回波序列。的相干时间显示出很强的温度依赖性，达到1.3 ms在23 mK的电子自旋跃迁的$^{167}\text{Er}$。
2022-03-28 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Multiplexed storage and real-time manipulation based on a multiple-degree-of-freedom quantum memory
量子态与物质系统的忠实存储和相干操作使得基于量子中继器的大规模量子网络的构建成为可能。为了实现有用的通信速率，将需要高度多模量子存储器来构建多路复用量子中继器。在这里，我们提出了第一个演示的按需存储轨道角动量态与弱相干脉冲在单光子水平的稀土离子掺杂晶体。通过将空间自由度与时间和光谱自由度相结合，我们创建了具有高多模容量的多自由度存储器。该器件可以作为一个具有高保真度的量子模式转换器，这是构建多路复用量子中继器的基本要求。该装置还使得能够实时地对空间四元组编码的光子脉冲进行基本上任意的光谱和时间操纵。因此，开发的量子存储器可以作为可扩展的光子量子信息处理架构的构建块。
2018-09-05 physics.optics quant-ph
Piezo-orbital backaction force in a rare-earth doped crystal
本文研究室温稀土掺杂晶体在共振原子激发下的机械响应，识别出保守压电轨道机制与耗散光热过程两类光机械反作用，为混合光机械学及超相干稀土离子退相研究提供新方向。
2023-09-12 cond-mat.mtrl-sci physics.atom-ph physics.optics
Decoherence induced by dipole-dipole couplings between atomic species in rare-earth ion-doped Y$_2$SiO$_5$
本文研究稀土离子掺杂Y$_2$SiO$_5$中偶极-偶极耦合引起的退相干，通过理论与模拟揭示磁场参数对相干时间的影响，并预测有利磁构型。
2024-08-04 physics.atom-ph quant-ph
Fast qubits of optical frequencies on the rare-earth ions in fluoride crystals and color centers in diamond
提出了一种用于快速（$10^{-9}\rm{s}$）量子计算机（FQC）的掺稀土离子（REI）和金刚石对中心的氟化物晶体。作为REI掺杂的特定系统，我们提出了$Ca_{1-x}Sr_{x}F_{2}$晶体及其类似物。这些离子的具有不同总轨道角动量的$^{4}f$ -态充当二能级系统（量子比特）。还提出了合适的REI。金刚石中的$SiV$和$GeV$对中心是在高温下运行的快速光量子计算机的有前途的系统。
2021-03-23 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Coherence Time Extension by Large Scale Optical Spin Polarization in a Rare-Earth Doped Crystal
光学可寻址自旋在量子通信、处理和传感中得到了积极的研究。决定量子操作保真度和存储时间的光学和自旋相干寿命通常受到自旋-自旋相互作用的限制，自旋-自旋相互作用可以通过使用大磁场和/或mK范围温度使自旋在其较低能量状态下极化来降低。在这里，我们表明，用固定频率激光对一小部分离子进行光泵激，再加上自旋-自旋相互作用和自旋扩散，会导致顺磁稀土掺杂晶体$^{171}$ Yb $^{3+}$中出现大量的自旋极化：YSO。事实上，在2 K和零磁场下已经实现了高达90%以上的自旋极化。使用这种自旋极化机制，我们还证明了增加的光学相干寿命从0.3 ms到0.8 ms，由于自旋-自旋相互作用的强烈减少。这种效应为在各种固态系统中获得长的光学和自旋相干寿命开辟了新的途径，例如稀土离子或钻石色心的集合，这对广泛的量子技术都很感兴趣。
2019-10-17 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Three orders of magnitude cavity-linewidth narrowing by slow light in a rare-earth-ion-doped crystal cavity
本文研究了掺稀土离子晶体谐振腔中，由于与掺杂离子的非共振相互作用引起的强腔内色散引起的腔线宽三个数量级的变窄。强色散是通过使用光泵浦技术的稀土吸收分布的半永久性但快速可重新编程的变化而产生的。在光谱透射窗口内示出了几个腔模式。潜在的应用进行了讨论。
2013-11-12 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
