Atom in a $q$-Analog Harmonic Oscillator Trap
研究了在$q$ -模拟谐振子阱中,二能级原子与单模激光场相互作用时的布居数反转和Q函数,以增加$q$。对于$τ=.003(q=e^τ)$,粒子数反转的崩溃和恢复变得明确,便于实验观察,但对于大的$τ\sim 0.1$,粒子数反转的时间依赖性被完全消除。
1995-06-22 nucl-th quant-ph
Seeking a quantum advantage with trapped-ion quantum simulations of condensed-phase chemical dynamics
本文综述比较了囚禁离子模拟量子与经典数字方法在模拟凝聚相化学动力学中的性能,识别出经典方法最弱的动力学区域,为寻求量子优势提供了方向。
2024-09-18 quant-ph
Shortcuts to adiabaticity in harmonic traps: a quantum-classical analog
本文利用 Nelson 随机量子化建立量子-经典类比,将经典过阻尼系统的最优协议转化为量子绝热捷径,并在含时谐振子上验证了该方法可同时优化过程时长与能量或动力学相位代价。
2024-08-06 quant-ph
Understanding analog quantum simulation dynamics in coupled ion-trap qubits
我们数值研究了具有长程耦合的无序横向场伊辛Hamilton量。该模型最近在囚禁离子量子模拟器中进行了实验研究,发现在强无序下表现出多体局域化的特征。我们利用精确对角化方法研究了集体态的保持和本征态纠缠结构随无序强度和相互作用范围的变化。我们的数值计算结果,使用相同的系统尺寸的实验,验证了观察到的多体局域化在最近的量子模拟实验报告,并指出未来的实验方向。
2016-02-29 cond-mat.dis-nn quant-ph
Trapping an Atomic Ion using Time-Division Multiplexed Digital-to-Analog Converters
针对量子电荷耦合器件架构中电极控制的布线与可扩展性挑战,提出一种基于时分复用的电压控制方法,利用少量高更新率数模转换器实现多电极控制,成功囚禁单个$^{40}\mathrm{Ca}^+$离子并演示离子传输,为离子量子计算提供了资源高效且可扩展的解决方案。
2025-10-14 physics.ins-det quant-ph
Analog quantum simulation of generalized Dicke models in trapped ions
提出了囚禁离子广义Dicke模型的模拟量子模拟。通过结合多个离子上的双微激光相互作用,我们可以在这些模型中产生光-物质耦合的所有机制,其中光模式被运动模式模仿。我们提出了数值模拟的三量子位迪克模型在弱场(WF)制度,其中的Jaynes-Cummings行为出现,和超强耦合(USC)制度,其中的行波近似(RWA)不能被考虑。我们还模拟了WF和USC机制下的双量子比特有偏Dicke模型以及USC机制和深强耦合机制下的双量子比特各向异性Dicke模型。数学模型和离子系统之间的一致性使我们相信,这些量子模拟可以在实验室中使用当前或不久的将来的技术来实现。该方法为囚禁离子中多自旋Dicke模型的量子模拟提供了一条途径。
2018-04-11 cond-mat.mes-hall quant-ph
Simulating quantum effects of cosmological expansion using a static ion trap
我们提出了一个新的实验测试平台,使用离子的集体基态的静态陷阱研究模拟的量子场效应在宇宙时空中,包括Gibbons-Hawking效应的一个单一的检测器在德西特时空,以及建模的可能性暴胀结构的形成和德西特时空的纠缠签名。到目前为止,在模拟重力实验中使用捕获离子的建议已经通过直接操纵离子的运动来模拟重力对场模式的影响。相比之下,通过将实验室时间与模拟宇宙中的共形时间相关联,我们可以在用于耦合离子振动运动和电子状态的激光调制中编码曲率的全部效应。这个模型简化了实验的要求,模拟一个膨胀的宇宙,使用捕获的离子和放大的有效性离子阱类比广泛的有趣的情况下。
2010-08-02 gr-qc quant-ph
Multiplexed Control at Scale for Electrode Arrays in Trapped-Ion Quantum Processors
针对QCCD离子阱量子处理器电极控制中电子资源与布线复杂度过高的问题,提出用单个高速DAC生成时分复用信号替代专用DAC,以10,000电极仅需13个FPGA和104个高速DAC,大幅降低资源需求并完成概念验证。
2025-07-09 quant-ph
Probing quantum effects with classical stochastic analogs
我们提出了一种构造开放量子系统的经典模拟的方法,即一个单量子粒子被限制在一个势阱中并浸没在一个热浴中。经典类似物由相同阱的集合制成,其中捕获质量为$m$的经典粒子。经典位置的分布$n(x,t)$被用来重建量子玻姆势$V_{\rm Bohm} = -\frac{\hbar^2}{2 m} \frac{Δ\sqrt{n}}{\sqrt{n}}$,这反过来又作用于势阱的形状。结果,经典粒子经历了有效的“量子”力。该协议进行了测试,使用单阱和双阱势的数值模拟,证明了典型的量子效应,如持久的相关性和量子隧穿。对于谐波限制,类比实验实现使用微米大小的电介质珠光捕获的激光束。
2021-08-25 quant-ph
Reply on `comment on our paper `Single two-level ion in an anharmonic-oscillator trap: Time evolution of the Q function and population inversion ''
我们在这里表明,在我们的论文中使用的模型哈密顿离子振动的q模拟谐振子陷阱和经典的单模光场的相互作用,确实是通过取代通常的玻色子创建和湮灭运营商的谐振子陷阱模型的q变形对应。本文所作的近似相当于在q模拟谐振子阱中的离子-激光相互作用中使用算符$F_{q}=exp{-(|ε|^2}/2)}exp{iεA^{\dagger}}exp{iεA}$,它类似于谐振子阱中离子的相应算符$F=exp{-(|ε|^2 /2)}exp{iεa^{\dagger }}exp{iεa}$。在我们的文章中,我们并不声称已经对角化了算符$F_q = exp{i ε(A^{\dagger}+A)}$,因为它的基态是|g,m>和|e,m>不是解析向量。
1999-03-19 nucl-th quant-ph
Quantum simulation of discrete curved spacetime by the Bose-Hubbard model: from analog acoustic black hole to quantum phase transition
我们提出了一个基于玻色-哈伯德模型的理论方案来模拟离散弯曲时空中的量子场论,该模型描述了被困在光晶格中的玻色-爱因斯坦凝聚体。利用玻色-哈伯德哈密顿量,我们首先介绍了离散空间中系统演化的流体力学表示。然后,我们表明,在超流(莫特绝缘体)状态的光晶格内的被困玻色子的相位(密度)波动服从Klein-Gordon方程的无质量标量场在离散弯曲时空中传播。我们推导出与超流和莫特绝缘体相关联的有效度量,特别是,我们发现,在超流相的度量表现出的奇异性,可以被认为是一个模拟声学黑洞的表现。通过调整系统参数,该方法为各种时空度量的量子模拟提供了一个合适的平台。
2017-11-14 quant-ph
Analog Quantum Simulation of (1+1)D Lattice QED with Trapped Ions
量子模拟格点规范理论的前景为理解物质的基本形式开辟了令人兴奋的可能性。在这里,我们表明,被困离子在这种情况下,同时利用内部赝自旋和外部声子振动时,代表一个有前途的平台。我们说明了我们的想法与两个互补的建议,模拟晶格正则化量子电动力学(QED)在(1+1)时空维度。第一个方案用高占据数的局域振动代替规范场。通过数值的有限尺寸标度,我们证明了该模型以受控的方式恢复了Wilson的格点规范理论。它的实现可以在微阱阵列中放大到数十个离子。第二种方案用自旋1/2表示规范场,从而模拟了量子链模型。正如我们所展示的,这使得费米子物质可以被玻色子自由度所取代,从而允许在线性保罗陷阱中进行小规模的实现。这两种方案的工作能量尺度显着大于典型的退相干率在实验中,从而使调查的现象,如字符串断裂,科尔曼的量子相变,和假真空衰变。所提出的模拟仿真方案的基本思想也可以适用于其他平台,例如超导量子比特。
2017-08-18 cond-mat.quant-gas hep-lat quant-ph
Qubit Analog with Polariton Superfluid in an Annular Trap
该研究通过环形势阱中激子-极化激元超流体实现量子比特模拟,观察到反向环流涡旋态的相干振荡,调谐耦合与基态能量并通过双态模型再现动力学,为极化激元量子比特控制及量子计算应用提供基础。
2023-11-13 cond-mat.quant-gas physics.pop-ph quant-ph
Intrinsic phonon effects on analog quantum simulators with ultracold trapped ions
线性Paul阱最近被用来模拟具有长程自旋-自旋耦合的横场伊辛模型。我们研究了声子产生(从初始声子基态)对自旋态几率和自旋纠缠的内在影响。虽然人们通常认为声子效应是良性的,因为它们在纯伊辛模型中不起作用,但当向模型中加入横向场时,它们可以发挥重要作用。我们利用系统的量子时间演化算符的多体因式分解、绝热微扰理论和截断自旋-声子希尔伯特空间中薛定谔方程的精确数值积分以及声子自由度的追踪来研究这个问题。我们发现,适度的声子产生往往使不同自旋态的几率表现出与静态自旋哈密顿量不同的行为。在声子产生较小的情况下,自旋动力学状态概率收敛到静态自旋哈密顿预测,代价是减少自旋纠缠。我们展示了声子的产生如何严重阻碍了在受挫自旋系统中观察到的扭结转变时,离子的数量增加。我们的许多结果也对Penning阱中的量子模拟有意义。
2012-09-13 cond-mat.quant-gas quant-ph
Practical verification protocols for analog quantum simulators
模拟量子模拟有望成为近期量子器件的重要应用。这些设备的验证没有比较已知的模拟结果将是一个重要的任务,因为系统的大小增长超出了制度,可以模拟经典。我们介绍了一套实验驱动的模拟量子模拟器的验证协议,讨论了它们对各种误差源的敏感性和它们对更大系统尺寸的可扩展性。我们证明了这些协议的实验使用两个量子比特的捕获离子模拟量子模拟器和数值上使用的模型多达五个量子比特。
2021-03-03 quant-ph
Low-cost Ultra-low Noise DAC System-on-Module for Scalable Ion-Trap Electrode Control
Duke University(杜克大学)
本文提出了一种低成本、低噪声的DAC系统模块,用于离子阱电极控制,采用TI DAC81416和Xilinx Spartan-7 FPGA,兼顾成本与性能,适用于多种离子阱物理实验和量子计算应用。
2026-05-01 physics.ins-det quant-ph
Towards analog quantum simulations of lattice gauge theories with trapped ions
规范场在现代物理学中扮演着核心角色,是基本粒子和相互作用标准模型的核心。尽管应用经典计算技术模拟规范理论取得了重大进展,但计算规范理论描述的系统的实时动力学仍然是一项具有挑战性的任务。近年来探索的一个令人兴奋的可能性是使用高度受控的量子系统以模拟方式模拟目标系统的特性,其动力学难以计算。线性晶体中的原子-激光相互作用为复杂物理系统的量子模拟提供了广泛的可能性。在这里,我们设计了简单的格点规范理论的动力学可以映射到任何维度的自旋-自旋相互作用的模拟模拟实用的建议。这些理论包括1+ 1维量子电动力学、2+ 1维阿贝尔陈-西蒙斯理论和2+ 1维纯Z 2规范理论。所提出的方案,以及应用的优化协议,将有超出本工作中提出的例子的应用,并将使可扩展的模拟量子模拟海森堡自旋模型在任何数量的维度和任意的相互作用强度。
2019-08-08 hep-lat hep-ph nucl-th
All-order momentum correlations of three ultracold bosonic atoms confined in triple-well traps: Signatures of emergent many-body quantum phase transitions and analogies with three-photon quantum-optics interference
研究了线性三势阱中三个无自旋超冷玻色相互作用中性原子的全阶动量关联函数.用于相互作用原子的基本哈密顿量是一个增广的三位哈伯德模型。我们的研究目标是大质量粒子的物质波干涉,旨在建立实验协议,用于表征被捕获的吸引或排斥相互作用的超冷粒子的量子态,具有可变的相互作用强度。通过对多粒子相互作用系统的全阶量子态的分析,揭示了我们的研究结果对于全面理解相互作用多粒子系统的量子态的本质所具有的优势和深刻的物理意义。(即第一、第二和第三)动量关联函数,的相互作用强度引起的紧急量子相变从莫特绝缘相的超流的飞行时间干涉询问的背景下进行说明和讨论。此外,我们讨论了我们的干涉询问建立强类比的量子光学干涉的三个光子,包括真正的三光子干涉,这是重点探索的目标是开发和实施的量子信息应用和量子计算。
2020-05-31 cond-mat.quant-gas nucl-th quant-ph
Dynamical trapping through harmonic breathing
提出了一种新的量子阱策略,它在任何需要的地方都表现出类似于一个有效的谐振子势阱的行为。该方法是基于谐波的收缩和膨胀的系统周围的一个固定点(陷阱点)在高频率。给出了任意势的解析结果,并与两个不可穿透的壁之间的量子粒子的数值计算进行了对比。同样,利用量子力学和光学之间的类比,它表明,谐波呼吸波导晶格可以用来捕获光束使用的频率的顺序的耦合常数,而不需要诉诸非线性介电项。
2019-03-13 physics.optics quant-ph
Survival probability in a one-dimensional quantum walk on a trapped lattice
研究了具有随机分布吸收固定陷阱的一维晶格上量子步行者的生存概率动力学。比较了量子步行者和经典步行者的生存概率。数值和解析观测结果表明,量子步行者的生存概率随时间的变化具有分段拉伸的指数特性,依赖于陷阱的密度。Rosenstock和Donsker-Varadhan行为的量子类似物之间的交叉被确定。
2011-03-31 cond-mat.dis-nn quant-ph
Effective quantum spin systems with ion traps
我们证明了由囚禁离子与激光相互作用组成的物理系统可以经历丰富多样的量子相变。通过改变激光强度和偏振,可以控制离子内部状态的动力学,从而在有效自旋之间诱导伊辛或海森堡样相互作用。我们的计划使我们能够建立一个类似的量子模拟器自旋系统与囚禁离子,观察和分析量子相变的测量和操纵的自旋前所未有的机会。
2004-01-19 cond-mat.mes-hall quant-ph
Toward simulating quantum field theories with controlled phonon-ion dynamics: A hybrid analog-digital approach
量子场论是现代物理学的基石,在最基本的层面上提供了物理系统的相对论和量子力学描述。在这些理论中模拟实时动态在经典计算中仍然是难以捉摸的。这为量子模拟器提供了一个独特的机会,它有望彻底改变我们的模拟能力。捕获离子系统是量子多体物理学的成功量子模拟器平台,可以在数字或基于门的模式和模拟模式下操作。在提出和实现量子模拟的相对论性量子场论使用捕获的离子系统的进展,并通过模拟相互作用玻色子-费米子模型的混合模拟-数字的建议的启发下,我们提出了混合模拟-数字量子模拟选定的量子场论,最近的发展到一个新的水平。一方面,与全模拟方法相比,该提案的半数字性质在工程通用模型交互方面提供了更大的灵活性。另一方面,将玻色子场编码到捕获离子系统的声子自由度上允许更有效地使用模拟器资源,并且在这样的平台中更自然地实现固有量子操作。这为模拟复杂动力学开辟了新的途径,阿贝尔和非阿贝尔规范理论,通过结合数字和模拟方案的优点。
2021-04-19 cond-mat.quant-gas hep-lat nucl-th
Freely configurable quantum simulator based on a two-dimensional array of individually trapped ions
定制和精确控制的量子系统可以提供对另一个不太容易访问的感兴趣系统的基本理解。通用量子计算机目前还遥不可及,但模拟量子模拟器可以使量子模型的相关可观测量、相互作用和状态变得可访问,从而可以通过实验深入了解传统计算机难以处理的复杂量子动力学。已经提出了几个平台,并进行了原理验证实验。在这里,我们描述了由射频场捕获的三个离子的二维阵列,这些离子在单独控制的谐波阱中形成边长为40和80微米的等边三角形。在我们的方法,这是可扩展到任意的二维晶格,我们展示了单独控制的电子和运动的自由度,准备一个基准的初始状态与离子运动接近的基态,以及调整实验序列内的离子之间的关键耦合。我们的工作为任意设计的二维系统的模拟量子模拟器铺平了道路。
2015-12-14 physics.atom-ph quant-ph
Direct measurement of the optical trap-induced decoherence
热退相干是大质量力学振子实现量子相干性的主要障碍。虽然光阱已被用来降低这种振荡器的热退相干率,但它也通过使振荡器受到由光场的频率波动引起的随机力来增加速率,从而对降低设置了基本限制。这类似于有源反馈系统中的噪声惩罚。在这里,我们直接测量的rethermalizaton过程中的初始冷却和光学捕获悬挂镜,并确定电流限制退相干率由于光阱。我们的实验研究的陷阱诱导退相干率将使未来的进展,在坏腔制度的基本量子力学的探测,如测试变形的双折射。
2016-08-21 physics.optics quant-ph
Probing spacetime fluctuations using cold atom traps
研究了一个粒子的位置振荡,该粒子模拟了一个被囚禁的玻色-爱因斯坦凝聚体的质心量子态与引力场的零点涨落的耦合。进行半经典分析,允许计算振荡的均方振幅。与量子电动力学中的兰姆位移类似,这引起了被捕获的凝聚体的能量的上移。我们发现,对于一个细长的陷阱,能量转移的规模与长度的平方以及与原子总数的立方。
2013-01-03 cond-mat.quant-gas gr-qc quant-ph
Relativistic meson spectra on ion-trap quantum simulators
近年来,量子多体系统工程的实验进展迅速,这为通过数字或模拟量子模拟对基本物理问题进行受控研究开辟了道路。在这里,我们系统地分析了模拟离子阱的能力,探索相对论介子谱在当前的设备。我们主要讨论了由于横场伊辛模型临界点处的纵向扰动而引起的E_8量子场论体系。正如我们所示,通过精确的数值计算,足够强的长程抑制实验可访问的自旋链模型,吸收光谱允许识别的低洼介子激发具有良好的准确度,即使是小的系统尺寸。因此,我们的建议开辟了一条探索量子多体系统的显着特征,让人想起高能物理学中的介子属性。
2022-02-10 cond-mat.quant-gas cond-mat.str-el hep-ph
An optical analog of quantum optomechanics
我们提出了一个二维阵列的最近邻耦合波导,这是一个量子光学机械系统的光学模拟。我们表明,量子模型预测的外观有效的列隔离,对角耦合和其他非平凡的耦合在二维光子晶格的离子阱腔电动力学的标准近似下。我们提供了有效柱隔离情况下的近似脉冲函数,并将其与光子晶格中的精确数值传播进行比较。
2014-03-26 physics.optics quant-ph
Echo spectroscopy and quantum stability of trapped atoms
研究了超冷的^{85}Rb原子在光偶极阱中的退相现象,该原子是通过与微波脉冲相互作用而制备的两个超精细基态的相干叠加态.我们证明,相移,测量的拉姆齐条纹对比度,可以通过刺激一个相干回波与两个π/2脉冲之间的π脉冲,在类比的光子回波。我们还证明了某些陷阱参数的回波失败是由于陷阱中的动力学,因此即使超过10^6个态被热填充,“回波光谱”也可以用于研究陷阱中的量子动力学,并研究从量子(动力学退相干被抑制)到经典动力学的交叉。
2002-08-08 nlin.CD physics.atom-ph quant-ph