Blue-sky bifurcation of ion energies and the limits of neutral-gas sympathetic cooling of trapped ions
通过与中性缓冲气体的碰撞来对被捕获的离子进行交感冷却对于各种现代科学领域是至关重要的，包括基础化学、质谱、核物理和粒子物理以及原子和分子物理。尽管其广泛使用了四十多年，但其基本局限性仍然存在公开问题。为了探索这些限制，在这里，我们研究了10个钡离子浸入300万激光冷却的钙原子气体中的稳态演化。我们观察和解释的非平衡行为的出现证明了分叉的离子稳态温度，参数化的离子数。我们表明，这种行为导致的限制，在创建和维护的捕获的离子使用中性气体的交感冷却的冷样品。这些结果为研究非平衡态热力学提供了一条途径。
2016-08-11 physics.atom-ph
Sympathetic and swap cooling of trapped ions by cold atoms in a MOT
一个冷却和捕获的离子和原子的混合系统，为离子辅助冷化学和新颖的多体研究铺平了道路。由于单个俘获机制的不同，被俘获的原子明显比被俘获的离子冷，因此在组合系统中，强的二元离子$-$原子相互作用导致从离子到原子的热流。相反，被捕获的离子也可以被冷原子碰撞加热，使离子和原子之间的平衡变得有趣。在这里，我们的实验表明，铷离子（Rb $^+$）冷却接触磁光捕获（MOT）Rb原子，相反的一般预期的离子加热等离子和原子质量。从理论上解释了冷却机理，并用数值模拟加以验证。共振电荷交换（RCx）碰撞，它允许交换冷却的离子与原子，其中一个单一的掠射碰撞事件带来的快速离子休息的重要性进行了讨论。
2011-12-26 physics.atom-ph quant-ph
Trapped-Ion Quantum Computing: Progress and Challenges
囚禁离子是实用量子计算（QC）中最有前途的系统之一。通用QC的基本要求都已经用离子和使用少离子量子比特系统的量子算法进行了证明。我们回顾了该领域的现状，涵盖了捕获离子如何用于QC的基础知识，以及它们作为量子比特的优势和局限性。此外，我们讨论了正在做什么，可能需要什么，以增加捕获离子量子计算机的规模，同时减轻退相干和控制错误。最后，我们探讨了离子阱质量控制的前景。特别是，我们讨论了近期的应用，考虑影响未来系统的设计被困离子，实验和演示，可能会进一步通知这些考虑。
2019-04-08 physics.atom-ph quant-ph
Coherent control of a single trapped Rydberg ion
囚禁里德堡离子是量子计算和模拟的一种新方法。他们的设想是将捕获离子量子位的精细控制与已经在中性原子实验中证明的快速双量子位里德堡门结合起来。相干里德堡激发是这些门的关键要求。在这里，我们进行了第一次相干里德伯激发的离子，并执行单量子比特里德伯门，从而展示了一个被困里德伯离子量子计算机的基本要素。
2017-08-21 physics.atom-ph quant-ph
Berry Phase Generation and Measurement in a Single Trapped Ion
在这项工作中，我们提出了一种新的设计的离子阱，它可以使我们能够产生状态特定的Berry相位在一个单一的被困离子。这样的设计将使我们能够研究阿贝尔和非阿贝尔对称边界的物理，也可以在量子计算中产生重大影响。
2012-08-17 physics.atom-ph quant-ph
Three-dimensional matter-wave interferometry of a trapped single ion
我们报告的演示拉姆齐干涉术的三维运动与一个被困的$^{171}Yb^+$离子。我们采用了动量踢的离子在一个方向上的对角线的陷阱轴启动三维运动使用锁模脉冲激光。对干涉信号进行了理论分析，论证了三维物质波干涉。这项工作为利用囚禁离子实现物质波干涉测量奠定了基础。
2021-02-03 physics.atom-ph quant-ph
Susceptibility of Trapped-Ion Qubits to Low-Dose Radiation Sources
实验研究了囚禁离子量子系统对小剂量电离辐射的实时敏感性。我们将离子阱装置暴露于各种$α$、$β$和$γ$源，并测量捕获离子量子位寿命、相干时间、门的重复性和运动加热速率的变化。我们发现，在低剂量辐射源的存在下进行的任何测量的离子阱性能没有量化的退化。这一发现对于在极端环境中使用基于离子的量子信息系统的长期前景是令人鼓舞的，表明可能需要更大的剂量才能在捕获离子量子处理器中引起错误。
2021-06-02 physics.atom-ph quant-ph
Trapped ions in Rydberg-dressed atomic gases
我们从理论上研究了浸没在超冷气体里德伯装扮的原子中的囚禁离子。通过偶极禁戒跃迁的非共振耦合，绝热原子-离子势可以变为排斥势。我们研究了原子和单个囚禁离子之间的能量交换，发现这些排斥作用在超冷区会抑制朗之万碰撞。因此，所提出的系统避免了最近观察到的混合原子-离子系统中的离子加热所造成的耦合到离子的射频捕获场，并保持超冷温度，即使在存在过量的微动。
2017-06-29 physics.atom-ph quant-ph
Programmable quantum simulations of bosonic systems with trapped ions
本文提出一种利用囚禁离子晶体中的声子进行玻色系统量子模拟的互补方法，通过囚禁离子自旋激发介导，实现对密集玻色耦合图的高度可编程控制，适用于玻色采样及长程玻色与自旋-玻色哈密顿量模拟等难题。
2022-07-27 physics.atom-ph quant-ph
Trapped Ion Chain Thermometry and Mass Spectrometry through Imaging
我们展示了一个空间成像测温技术的离子在一维库仑晶体有关其成像的空间范围沿线性射频离子阱轴的谐振势耦合振荡器的正常模式的振动。我们还使用的两种混合链的情况下，明亮的离子的热空间扩散测量的质量中心（COM）的共振频率的整个链，并推断的分子组成的共同捕获的暗离子。这些非破坏性技术为更好地理解混合离子链中的交感冷却，改进少离子质谱和捕获离子测温而无需扫描多普勒冷却参数创造了新的可能性。
2016-02-10 physics.atom-ph quant-ph
Dipole-phonon quantum logic with trapped polar molecular ions
被捕获的分子离子的电偶极矩与受限库仑晶体的构型之间的相互作用将分子的取向与其运动耦合。我们考虑利用这种相互作用来初始化、处理和读出编码在分子离子量子比特中的量子信息而不需要光学照射分子的实际可行性。我们提出了两种方案，其中分子离子可以与共捕获的原子离子量子比特纠缠，提供了一种用于分子状态制备和测量的方法。我们还表明，虚声子交换可以显着提高分子间偶极-偶极相互作用的范围，允许广泛分离的分子离子量子比特之间的强耦合。
2019-09-05 physics.atom-ph quant-ph
Efficient Fiber Optic Detection of Trapped Ion Fluorescence
纤维光学的集成可以通过实现光的可扩展收集和传输以及将捕获的离子耦合到光学微腔来在基于捕获的离子和原子的量子信息处理器的开发中发挥关键作用。我们在表面电极Paul阱中捕获24 Mg+离子，该表面电极Paul阱包括用于检测280 nm荧光光子的集成光纤。收集数值孔径为0.37，总收集效率为2.1%。通过使用可调节的rf-赝势，离子可以定位在距光纤尖端80 \mum和100 \mum之间。
2010-04-05 physics.atom-ph quant-ph
C-band single photons from a trapped ion via two-stage frequency conversion
基于光纤的量子网络需要电信波长的光子来连接长距离分离的量子比特。被捕获的离子是量子网络的主要候选者，具有高保真度的双量子比特门，长相干时间，以及容易发射与离子内部量子比特状态纠缠的光子的能力。然而，捕获的离子通常发射与电信光纤不兼容的波长的光子。在这里，我们展示了可见光光子的频率转换，从S-P偶极跃迁的被困的Ba+离子，到电信C波段发射。这些结果是实现长距离捕获离子量子互联网的重要一步。
2022-02-28 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Efficient sideband cooling protocol for long trapped-ion chains
囚禁离子是大规模量子计算的一个有希望的候选者。在学术和工业环境中已经建立了几个系统来实现适度规模的量子算法。运动自由度的有效冷却是使用捕获离子的高保真量子操作的关键要求。在这里，我们提出了一种技术，其中单独的离子被用来冷却单独的运动模式并行，减少所需的时间，使离子链的运动基态。我们通过实验证明了这种技术，并开发了一个模型来了解我们的平行边带冷却技术相比，更传统的方法的效率。该技术适用于任何使用共捕获原子种类的分辨边带冷却的系统，并且仅需要捕获粒子的单独寻址。
2020-02-10 physics.atom-ph quant-ph
Entangled states of trapped ions allow measuring the magnetic field gradient of a single atomic spin
利用纠缠态中的囚禁离子，我们提出了在几个$μ$ m的距离检测单个原子的磁偶极子。这需要在约10 $^{-13}$特斯拉/ $μ$ m的水平下测量磁场梯度。我们讨论的应用，例如，在确定离子磁矩的变化范围很广，调查的磁性子结构的离子与水平结构不可访问的光学冷却和检测，并为研究外来或稀有离子，和分子离子。该方案也可用于测量被光学偶极力俘获的中性原子或原子系综的自旋不平衡。由于所提出的方法依赖于离子阱量子信息处理中良好建立的技术，因此其在当前技术的范围内。
2012-07-03 physics.atom-ph quant-ph
Optimized pulsed sideband cooling and enhanced thermometry of trapped ions
解析边带冷却是一种标准技术，用于将多普勒极限以下的捕获离子冷却到接近其运动基态。然而，用于边带冷却的最常见的方法隐含地依赖于低多普勒冷却温度和紧密限制的离子，并且它们不能针对不同的实验条件进行优化。在这里，我们介绍了一个框架，计算最快的可能的脉冲边带冷却序列为给定数量的脉冲和一组实验参数，我们验证其改进相比，传统的方法，使用一个被困的$^{171}$ Yb $^+$离子。经过广泛的冷却，我们发现，离子的运动分布是明显的非热，因此不服从标准的测温技术。因此，我们开发和实验验证一种改进的方法来测量边带冷却后的离子温度。这些技术将使更有效的冷却和温度计内捕获的离子系统，特别是那些具有高的初始温度或空间扩展的离子波包。
2021-09-28 physics.atom-ph quant-ph
Microwave control of trapped-ion motion assisted by a running optical lattice
我们实验证明微波控制的运动状态的囚禁离子放置在一个运行的光晶格产生的状态相关的潜力。光晶格深度和运行晶格频率两者提供自旋-运动耦合强度的可调谐性。利用自旋-运动耦合来演示Yb 171离子到运动基态的边带冷却。
2014-06-02 physics.atom-ph quant-ph
Precision measurement of the ionization energy of a single trapped $^{40}$Ca$^+$ ion by Rydberg series excitation
利用囚禁离子的里德伯态进行量子信息处理时，一套完整的光谱数据是必不可少的。我们对单囚禁$^{40}$ Ca $^+$离子的$nS_{1/2}$态和$38 \leq n \leq 65$态以及$nD_{5/2}$态和$37\leq n \leq 50$态进行了里德堡系列光谱研究。通过对共振频率的非线性回归，我们确定了电离能为2 870 575.582（15）GHz，与可接受的值相比，测量精度高出60倍，与之矛盾的是7.5个标准偏差。我们确认$δ_{S_{1/2}}=1.802995(5)$和$δ_{D_{5/2}}=0.626888(9)$的量子亏损值分别为$nS_{1/2}$和$nD_{5/2}$状态，这使得明确的解决里德堡能级的钙$^+$离子。
2020-09-02 physics.atom-ph quant-ph
Dissipative preparation of W states in trapped ion systems
我们提出了三个囚禁离子量子比特的耗散纠缠协议，并讨论了一个方案，使用交感冷却作为耗散机制。该方案依赖于定制的相消干涉，在三离子量子比特空间中产生六个纠缠W态中的任何一个。使用铍镁离子晶体作为一个例子系统，我们从理论上研究协议的性能和可能的误差源，包括离子晶体的热长期运动，校准缺陷，和自发光子散射的影响。我们估计，在典型的捕获离子实验中，$\sim$ 1 ms的相互作用时间可以达到$\sim$ 98%的保真度。这些协议避免了时间尺度层次结构，以更快地制备纠缠态。
2021-04-29 physics.atom-ph quant-ph
Buffer gas cooling of a trapped ion to the quantum regime
在尽可能低的温度下，用囚禁的离子和原子气体进行精确的量子测量已经取得了巨大的进展。这些成功激发了将这两个系统合并的想法。通过这种方式，人们可以研究量子流体中离子杂质的独特性质，或者探索捕获离子量子计算机的缓冲气体冷却。值得注意的是，尽管原子-离子混合物实验很重要，但它仍然严格限于经典碰撞体系。本文报道了镱离子在超冷锂气体中的碰撞能量为$s$波能量的1.15（0.23）倍（或9.9（2.0）~ $μ$ K）。通过对自旋交换动力学的研究，我们观察到了与经典朗之万理论的偏离，表明了原子-离子碰撞中的量子行为。我们的研究结果开辟了许多机会，如探索原子离子费什巴赫共振，在类比中性系统。
2019-07-25 physics.atom-ph quant-ph
Second-order Doppler frequency shifts of trapped ions in a linear Paul trap
通过实验和分子动力学（MD）模拟，研究了线性Paul阱中囚禁离子的二阶多普勒频移（SODFS）的精确估算。被囚禁离子在陷阱中的运动有三个贡献，我们专注于离子的过量微动，这是很少讨论时评估SODFS。基于离子密度沿径向均匀分布的假设，本文提出了一个新的模型来精确计算离子微波钟的总SODFS。模型的有效性在模拟和实验中得到了验证，特别是对于温度小于100 mK的离子系综。我们相信，我们的新模型提供了准确评估的SODFS的离子阱，特别是那些基于大离子云的激光冷却离子微波钟的优势。
2022-06-16 physics.atm-clus physics.atom-ph
Coupling trapped ions to a nanomechanical oscillator
本文实现了一种将金属纳米线与激光冷却囚禁离子耦合的混合系统，展示了共振与非共振耦合及离子相干运动激发，为离子-机械混合量子系统和双向协同冷却开辟了新途径。
2023-12-01 physics.atom-ph quant-ph
Analogue quantum simulation of superradiance and subradiance in trapped-ions
讨论了一种利用N个量子比特离子和一个共振冷却离子的线性链对超辐射和亚辐射进行模拟量子模拟的方案。我们开发了一个简单的分析模型，表明量子比特子空间的动力学收敛到那些云进行迪克超辐射和亚辐射。我们提供了完整的离子链的数值模拟，并表明，他们收敛到我们的分析模型预测的动力学没有拟合参数。我们还绘制出达到这种收敛所需的参数制度。
2019-11-22 physics.atom-ph quant-ph
Demonstration of a dressed-state phase gate for trapped ions
我们演示了Bermudez等人提出的捕获离子纠缠门方案。[Phys. Rev. A 85，040302（2012）]。强载流子和单边带跃迁的同时激发使得能够确定性地产生纠缠态。该方法适用于磁场不敏感状态，对热激发是鲁棒的，包括从量子位退相误差的动态解耦，并且与具有捕获离子的一些其他纠缠门相比，在实验实现中提供了简化。我们实现了0.974（4）的贝尔态保真度，并确定了主要的误差来源。
2013-04-23 physics.atom-ph quant-ph
A Quantum Interface Between Neutral-Atoms and Trapped-Ions Quantum Registers
Weizmann Institute of Science（魏茨曼科学研究所）
研究中性原子与囚禁离子量子寄存器间的量子接口，提出并分析方案，通过光镊与保罗阱势实现里德堡囚禁，增强原子 - 离子极化相互作用，实现对MS门的条件控制，为确定性原子 - 离子混合量子门和量子接口建立实用途径。
2026-07-24 physics.atom-ph quant-ph
Classical Mode Dyanmics for Trapped Ion Diagnostics
在本文中，我们考虑了两个问题，在诊断的离子晶体中，离子的集体振荡运动的分析产生潜在的有用的结果。当线性晶体中的一个离子发生碰撞时，观察随后的运动可以推断出哪个离子承受了碰撞。当一个线性的离子晶体由一个暗的杂质离子形成时，对离子运动的分析可以确定杂质的质量（从而给出一个重要的线索）。
2022-12-06 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Probing Quantum Fluctuations of Work with a Trapped Ion
在这一章中，我们说明了如何捕获离子系统可以用于量子热力学的实验研究，特别是量子涨落的工作。随着纳米/微米尺度技术的发展，在量子力学水平上理解热力学变得至关重要。捕获离子系统是实验演示量子现象的代表性物理平台，具有出色的控制性和精确性。我们提供了一个基本的介绍，囚禁离子系统和量子热力学的实验研究的理论框架。然后，我们提出了两个具体的例子的实验演示。最后，我们讨论了囚禁离子系统量子热力学实验研究的结果和未来。
2019-02-01 cond-mat.stat-mech physics.atom-ph quant-ph
Measuring molecular electric dipoles using trapped atomic ions and ultrafast laser pulses
研究了由离子和电偶极子组成的混合量子系统。我们展示了如何捕获的离子可以用来测量由经典偶极子产生的小电场。我们讨论了该计划的应用程序来测量冷极性分子的电偶极矩，其内部状态可以控制超快激光脉冲，通过捕获它们在附近的被困离子。
2015-01-12 cond-mat.quant-gas physics.atom-ph quant-ph
High resolution ion trap time-of-flight mass spectrometer for cold trapped ion experiments
用激光冷却的原子离子捕获被共振冷却的分子离子是探索冷离子化学的一个有用的平台。我们设计并表征了一种新的实验装置，用于探测在低于1 K的温度下分子阳离子和中性自由基之间的化学反应动力学。离子被捕获在一个线性四极射频陷阱和同情冷却的共同捕获，激光冷却，原子离子。离子阱耦合到飞行时间质谱仪，以容易地识别产物离子种类，以及准确地确定捕获的离子数。我们讨论，并详细介绍了这种离子阱飞行时间质谱仪的设计，以及驱动陷阱和质谱仪所需的电子设备。此外，我们测量该系统的性能，产生质量分辨率的$m/Δm \geq 1100$在很宽的质量范围内，并讨论其相关性，为未来的测量化学反应动力学和动力学。
2017-07-21 physics.atom-ph physics.chem-ph physics.ins-det
Analytic Description of the Motion of a Trapped Ion in an Even or Odd Coherent State
本文给出了处于奇相干态和偶相干态的囚禁离子运动的完全解析描述。比较最近的理论和实验工作。
1997-02-11 atom-ph physics.atom-ph quant-ph
Analytic Description of the Motion of a Trapped Ion in an Even or Odd Squeezed State
给出了囚禁离子在奇压缩态和偶压缩态下运动的完全解析描述。比较了偶相干态和奇相干态的最新结果，并讨论了可能的实验工作。
1996-06-17 atom-ph physics.atom-ph quant-ph
Quantum computing with trapped ions: a beginner's guide
本文是一篇面向初学者的教学文章，介绍囚禁离子量子计算的基本原理，并依据 DiVincenzo 准则评估其作为可扩展量子计算平台的可行性。
2023-09-17 cond-mat.other physics.atom-ph quant-ph
Collisional cooling of light ions by co-trapped heavy atoms
我们实验证明冷却被困离子与共捕获，更高质量的中性原子的碰撞。结果表明，较轻的$^{39}$ K $^{+}$离子，通过电离$^{39}$ K原子在磁光阱（MOT），当被困在离子阱中，随后允许通过与超冷，较重的$^{85}$ Rb原子在MOT碰撞冷却时，表现出较长的陷阱寿命比没有本地化的$^{85}$ Rb MOT原子。一个类似的冷却被困的$^{85}$ Rb $^{+}$离子由超冷$^{133}$ Cs原子在MOT中也证明了在不同的实验配置，以验证这种机制的离子冷却的局部和中心的超冷中性原子。我们的研究结果表明，本地化的冷原子冷却的离子持有任何质量比，从而使更广泛的一类原子离子系统的研究，无论其质量。
2016-12-29 cond-mat.quant-gas physics.atom-ph physics.chem-ph
Cooling of trapped ions by resonant charge exchange
两种最广泛使用的离子冷却方法是激光冷却和通过弹性碰撞（EC）的感应冷却。在这里，我们展示了另一种冷却离子的方法，该方法是基于被困离子和超冷母原子之间的共振电荷交换（RCE）。具体地，被捕获的Cs $^{+}$离子通过与共捕获的超冷Cs原子的碰撞以及分别通过与共捕获的超冷Rb原子的碰撞而冷却。我们观察到Cs原子对Cs $^{+}$离子的冷却比Rb原子对Cs $^{+}$离子的冷却更有效。这表明除了Cs-Cs $^{+}$情况下的弹性离子-原子碰撞通道之外，还存在一种冷却机制，即通过RCE冷却。通过实验确定了RCE的冷却效率，发现碰撞前冷却比EC冷却高两个数量级。这一结果为进一步研究原子-离子杂化系统中电子跳跃电荷输运提供了实验依据。
2018-04-07 cond-mat.quant-gas physics.atom-ph physics.chem-ph
Engineering spin-spin interactions with optical tweezers in trapped ions
我们提出了一种新的方法，用于产生可编程的相互作用在一维和二维囚禁离子量子模拟器。在这里，我们考虑使用光镊工程师的声波被困离子晶体的频谱。我们表明，这种方法使我们能够调整离子量子位的相互作用和连接性，超越当前设置中可访问的幂律相互作用。我们证明了我们的建议，使用现实的镊子设置和实验相关的陷阱参数，以产生最佳的镊子模式，以创建目标自旋自旋相互作用模式在一维和二维晶体的实验可行性。我们的方法将推进量子模拟在捕获离子平台，因为它允许他们实现更广泛的家庭的量子自旋哈密顿。
2021-03-23 cond-mat.str-el physics.atom-ph quant-ph
Fundamentals of Trapped Ions and Quantum Simulation of Chemical Dynamics
Rice University（莱斯大学）；ETH Zürich（苏黎世联邦理工学院）
本文综述了囚禁离子系统的基本原理，探讨了其在量子模拟和化学动力学模拟中的应用，以及未来的发展方向和挑战。
2026-02-17 cond-mat.quant-gas physics.atom-ph quant-ph
Cold trapped molecular ions and hybrid platforms for ions and neutral particles
本文回顾了冷陷俘分子离子领域的最新进展，重点介绍了新型混合原子-离子平台中的冷化学实验以及基于量子逻辑方案的高精度分子量子态制备与探测技术，这些进展为精密测量、量子技术和化学动力学等领域奠定了重要基础。
2023-11-21 cond-mat.quant-gas physics.atom-ph physics.chem-ph
Integrated-Photonics-Based Systems for Polarization-Gradient Cooling of Trapped Ions
Research Laboratory of Electronics, Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院电子研究实验室）；Lincoln Laboratory, Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院林肯实验室）
本文提出利用集成光子学实现阱离子的极化梯度冷却，首次实验演示了该技术，提升了阱离子系统的计算效率。
2024-11-09 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
