One-Way Quantum Repeater with Rare-Earth-Ions Doped in Solids
提出利用固体中掺杂稀土离子与纳米腔耦合高效生成光子簇态，并采用多路复用方案，以少于100个量子发射器在数千公里距离上实现兆赫兹密钥率，用于一向量子中继器节点。
2024-04-13 quant-ph
Designing gate operations for single ion quantum computing in rare-earth-ion-doped crystals
基于稀土离子掺杂晶体的量子计算机在可扩展性和连通性方面显示出很有前途的特性，如果单离子可以用作量子比特的话。通过模拟，我们研究了这些量子比特上的门操作，并讨论了门和系统参数如何影响门误差，每个量子比特所需的频率带宽以及瞬时谱扩散（ISD）发生的风险。此外，我们研究如何在系统参数的不确定性影响门误差，以及如何精确的系统需要知道。在不考虑ISD的情况下，我们发现了$2.1\cdot 10^{-4}$和$3.4\cdot 10^{-4}$的任意单比特门的门误差，并且在偶极-偶极相互作用强度的很大范围内，我们构造了误差从$5\cdot 10^{-4} \rightarrow 3\cdot 10^{-3}$到$3.4\cdot 10^{-4}$的双比特门.
2021-08-10 quant-ph
Properties of a rare-earth-ion-doped waveguide at sub-Kelvin temperatures for quantum signal processing
我们表征了795 nm $^3$ H $_6$到$^3$ H $_4$的过渡Tm $^{3+}$在Ti $^{4+}$：LiNbO $_{3}$波导在温度低至800 mK。相干性和超精细人口寿命-高达117 $μ$ s和2.5小时，分别-超过那些在3 K至少10倍，并相当于在散装Tm $^{3+}$：铌酸锂$_{3}$晶体在类似条件下观察到的。我们还发现了一个过渡偶极矩，这是相当于散装。最后，我们准备了一个0.5 GHz带宽的原子频率梳的精细度$>$ 2上消失的背景。这些结果证明了使用LiNbO $_3$中的工业标准Ti内扩散产生的稀土掺杂波导对于片上量子应用的适用性。
2017-03-17 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
A Frequency-Multiplexed Coherent Electro-Optic Memory in Rare Earth Doped Nanoparticles
光的量子存储器是长距离量子通信和分布式量子计算等量子技术的重要组成部分。最近的研究表明，在稀土掺杂的纳米颗粒中可以观察到长的光学和自旋相干寿命，从而在块状材料上开辟了激发可能性，例如用于增强与光和其他量子系统的耦合以及材料设计。在这里，我们报告的相干光存储在Eu $^{3+}$：Y $_2$ O $_3$纳米粒子使用斯塔克回波调制存储器（SEMM）量子协议。我们首先测量了一个几乎恒定的斯塔克系数为50 kHz/（V/cm）的15 GHz的带宽，这是有希望的宽带操作。使用SEMM的光存储然后被证明达40 $μ$ s的时间。具有两个不同频率的脉冲也被存储，确认频率复用能力，并用于展示存储器的高相位保真度。
2020-06-17 quant-ph
Coherent spin dynamics of rare-earth doped crystals in the high-cooperativity regime
稀土掺杂晶体具有较长的相干时间，并有可能在微波和光子之间提供量子界面。这种应用受益于自旋系综和微波腔之间的高协同性-这促使稀土离子浓度的增加，这反过来又影响自旋相干寿命。在1.2 K ~ 14 mK的温度范围内，测量了两种稀土自旋物种$^{145}$ Nd和Yb掺杂到Y $_{2}$ SiO $_{5}$中，耦合到高协同区的平面微波谐振器中的自旋动力学。我们确定了相关的退相干机制，包括瞬时扩散所产生的共振自旋和温度依赖的光谱扩散杂质电子和核自旋的环境。我们探索了两种方法来减轻低温极限下Yb系统中光谱扩散的影响，首先，使用高达1 T的磁场来抑制杂质自旋动力学，其次，使用低有效g因子的跃迁来降低对此类动力学的敏感性。最后，我们演示了如何“时钟过渡”中存在的$^{171}$ Yb系统在零场可以用来增加相干时间高达$T_{2} = 6(1)$毫秒。
2022-06-20 quant-ph
High-bandwidth quantum memory protocol for storing single photons in rare-earth doped crystals
我们提出了一个高带宽的量子存储协议存储单光子在稀土离子掺杂晶体的详细分析。基本思想是受益于相干自由诱导衰变型再发射，当具有宽带光谱的光子被光学致密系综中的窄原子跃迁吸收时，自然发生这种再发射。这允许用于真实材料参数的高带宽存储器。通过将光学相干性转换为自旋相干性（所谓的自旋波存储），借助于处于双稳态配置的自旋状态来获得长存储时间和按需读出。我们给出了明确的公式，并显示数值结果，这使得它有可能获得洞察的依赖性的存储效率上的光学深度和存储的光子的宽度和形状。我们提出了一个可行性研究，在稀土掺杂的晶体，并表明，高效率和高带宽，可以获得与现实的参数。使用自旋波存储的高带宽存储器提供了非常高的时间带宽积的可能性，这对于需要高重复率的实验是重要的。
2013-09-16 quant-ph
Selective optical addressing of nuclear spins through superhyperfine interaction in rare-earth doped solids
在Er $^{3+}$：Y $_2$ SiO $_5$中，我们证明了通过与具有大Landé $g$因子的Er $^{3+}$电子自旋的超超精细耦合，对$^{89}$ Y $^{3+}$核自旋的选择性光学寻址。我们用光子回波技术对电子-核自旋混合进行了实验探测，并验证了我们的模型。通过调节磁场强度强度和方向，设计了Y $^{3+}$核自旋的位置选择性光学寻址。这是实现长寿命固态量子比特的重要一步，量子比特由电信光子光学寻址。
2018-05-17 quant-ph
Probing the collective dynamics of nuclear spin bath in a rare-earth ion doped crystal
探测集体自旋动力学是磁共振光谱学领域的当前挑战，并且在材料分析和量子信息协议中具有重要应用。近年来，稀土离子掺杂晶体成为制备长寿命量子存储器的一个有吸引力的候选材料。进一步提高其性能将受益于对晶体中核自旋池动力学的直接了解。本文用动态退耦谱方法研究了晶体中稀土离子周围核自旋池的集体动力学。从测量的光谱中，我们分析了自旋浴的组态，并在一个长的时间尺度（$\sim $ 1 s）上描述了两个相关核自旋之间的翻转时间。此外，我们还从实验上证明了稀土离子可以作为外磁场的磁量子传感器。这些结果表明，稀土离子是一个有用的探针复杂的自旋动力学在固体中，并使量子传感在低频制度，揭示在不同领域的应用前景的可能性。
2018-03-09 quant-ph
High connectivity quantum processor nodes using single-ion-qubits in rare-earth-ion-doped crystals
我们提出了两种在随机掺杂稀土离子晶体中构建量子处理器节点的协议，并分析了它们的性质。通过改变掺杂浓度和可访问的激光器可调谐性，处理器节点可以包含从仅几十到几乎$1000$量子位的任何位置。此外，每个量子位可以与之交互的平均量子位数（由连通性表示）可以部分定制为介于几个到大约一百个之间。我们还研究了激光器的有限可调谐性如何影响结果，并得出结论，$100$ GHz的调谐范围将结果限制为大约$100$量子位，平均每个量子位具有大约$50$连接。为了构建更大的处理器，愿景是这些量子处理器节点中的几个应该在多节点架构中彼此连接，例如，光学界面或以光的形式飞行的量子比特。我们的研究结果是令人鼓舞的建立稀土离子为基础的系统作为一个量子计算平台具有强大的潜力，可以集中在该领域的努力。
2021-11-17 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
Microscopic treatment of instantaneous spectral diffusion and its effect on quantum gate fidelities in rare-earth-ion-doped crystals
稀土离子掺杂晶体中瞬时光谱扩散效应对门操作的影响是未来稀土量子计算需要回答的重要问题。在这里，我们提出了一个微观模型，突出了随机性的现象，并使用它来调查ISD错误的单量子位门操作。此外，我们提出了一种方法来估计总误差从许多不同的误差源，只研究子系统包含一个误差源的时间。这使我们能够估计来自量子位附近的所有非量子位掺杂剂的总ISD误差。我们的结论是，光泵浦技术必须用来清空周围的吸收量子位跃迁的频率区域（传输窗口），以抑制ISD错误。尽管使用这样的窗口，仍然存在量子位具有比来自其他源的误差更大的ISD误差的大致$0.3\%$风险。在这些情况下，量子比特可以被丢弃，其频率信道可以被另一个量子比特重用。然而，在大多数情况下，ISD误差明显小于其他误差，因此尽管存在ISD，仍有可能执行噪声中间尺度量子（NISQ）算法。
2021-12-16 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
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
Coherent response to optical excitation in a rare-earth ion doped crystal
研究了大光密度Tm $^{3+}$：YAG晶体中的相干光传输。利用超稳激光器、光纤滤波和选址，研究了传输脉冲的时间分布。平面波条件通过选择照明光斑中心区域来满足。在实现光量子存储协议的前景中，我们特别关注了$π$ -脉冲传输。
2008-10-03 physics.optics quant-ph
Proposal for spin squeezing in rare-earth ion-doped crystals with a four-color scheme
在固态器件中实现自旋压缩是一个长期的研究目标，这是由于它们的特殊性，例如它们的长相干时间，低温实验或在芯片上集成纠缠辅助传感器的可能性。在本工作中，我们研究了一种无需干涉仪的四色方案来实现稀土离子掺杂晶体的自旋压缩。该提案依赖于从光物质相互作用的Tavis-Cummings模型开始的分析推导，提供了对自旋压缩产生的微观见解。我们在光强变化中发现了自旋压缩的特征。我们考虑两个特殊的情况下，铕和镨掺杂的原硅酸钇，量子技术发展的主力。我们表明，高达8分贝的自旋压缩可以获得容易获得的实验资源，包括由于光子散射的噪声。我们对稀土离子掺杂晶体的研究结果增加了这些平台用于操纵多体纠缠态和高精度测量的有前途的特性。
2022-12-19 cond-mat.mes-hall quant-ph
Modification of phonon processes in nanostructured rare-earth-ion-doped crystals
纳米结构化掺杂晶体影响声子态密度，从而修改与声子相互作用引起的原子动力学。我们建议使用粉末或声子带隙晶体形式的纳米结构材料，以实现或改善稀土离子掺杂晶体中不均匀加宽吸收线的持续光谱烧孔和相干性。这对于超精密射频频谱分析仪和光量子存储器等应用至关重要。作为一个例子，我们讨论了声子工程如何能够使光谱烧孔在方便的电信波段工作的掺铒材料，并提出模拟的情况下，Y2SiO5，一个广泛使用的材料在当前的量子存储器研究的纳米级粉末和声子晶体的态密度。
2016-06-27 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Storage of photonic time-bin qubits for up to 20 ms in a rare-earth doped crystal
光子量子比特的长时间量子存储器是实现长距离量子网络和中继器的必要组成部分。在稀土系综中将光态映射到相干自旋波上是一种特别有前途的量子存储方法。然而，由于所需的自旋波操纵引起的读出噪声，在量子水平上实现长时间存储仍然具有挑战性。在这项工作中，我们采用动态去耦技术和一个小磁场，以实现存储的六个时间模式为20，50和100 ms的$^{151}$ Eu $^{3+}$：Y $_2$ SiO $_5$晶体，基于原子频率梳存储器，其中每个时间模式平均包含一个光子左右。存储器的量子相干性通过存储两个时间仓量子位20 ms来验证，对于每个量子位的平均光子数$μ_\text{in}$ = 0.92 $\pm$ 0.04，平均存储器输出保真度为$F=(85\pm 2)\%$。量子位分析是在读出存储器时进行的，使用我们开发的一种复合绝热读出脉冲。
2022-03-23 quant-ph
Polarisation and Temperature Dependence of Er$^{3+}$:CaWO$_4$ -- Towards a Solid-State Rare-Earth Ion-Doped Quantum Memory
本文研究Er$^{3+}$:CaWO$_4$中偏振和温度对光学跃迁的影响，发现低温下沿c轴入射的1532.6 nm $Z_1\ o Y_1$跃迁具有稳定波长、窄线宽和偏振无关等优势，适合量子存储应用。
2025-07-20 quant-ph
Evidence of Dilute Ferromagnetism in Rare-Earth doped YAG
这项工作证明了在钇铝石榴石电介质晶体中铒离子自旋系综和微波混合腔回音壁模式之间的强耦合机制。结果表明，耦合强度达到了~MHz，模式品质因数超过了$220$.此外，高Q模式的磁响应演示的行为是不寻常的顺磁系统。这种行为包括滞后和记忆效应。系统磁场响应的这种质变被解释为稀土离子杂质的相变。这种现象类似于半导体中的稀铁磁性现象。明确的温度依赖性的现象被证明。
2015-09-15 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Selecting ensembles for rare earth quantum computation
我们讨论了在稀土离子掺杂固体中实现量子计算的问题。我们描述了一个实用的方案，两个量子位门操作，利用实验可用的量子位之间的相互作用。讨论了可扩展量子计算机的可能性。
2003-10-16 quant-ph
Correlated inhomogeneous absorption profiles across distinct optical transitions in a rare-earth doped crystal
Institut Langevin, CNRS, ESPCI Paris, Université PSL（朗之万研究所，法国国家科学研究中心，巴黎高等物理化工学院，巴黎文理研究大学）；Thales Research and Technology（泰雷兹研究与技术）；Institut de Recherche de Chimie de Paris, CNRS, Université Paris Sciences et Lettres, Sorbonne Université（巴黎化学研究院，法国国家科学研究中心，巴黎文理研究大学，索邦大学）
研究Er³+:YSO中980nm和1.5μm跃迁的非均匀吸收分布，发现两个跃迁间的谱相关性，揭示稀土掺杂晶体中微观非均匀分布的起源。
2026-02-25 cond-mat.mtrl-sci physics.optics quant-ph
Reducing decoherence in optical and spin transitions in rare-earth-ion doped materials
在许多重要的情况下，低温稀土离子掺杂系统中的主要失相机制是由于来自主晶体中的自旋的磁场波动。在其中转变具有零一阶塞曼（ZEFOZ）偏移的磁场下操作可以大大减少这种失相。在这里，我们确定的位置与零的一阶塞曼位移的过渡Pr3+：YAG中的光学跃迁和Er 3+：Y2SiO5中的自旋跃迁。ZEFOZ能够实现的长相干时间将使Pr3+：YAG成为实现腔QED强耦合机制的强候选者，并且将是在Er3+：Y2SiO5中创建长寿命电信波长量子存储器的重要一步。这项工作主要依赖于公布的自旋哈密顿参数，但拉曼外差光谱进行Pr3+：YAG测量的激发态的参数。
2012-03-22 physics.atom-ph quant-ph
Strain-mediated ion-ion interaction in rare-earth-doped solids
本研究针对稀土离子光激发引发基质局部形变的现象，通过宏观模型发现了应变介导的$1/r^3$型离子-离子相互作用，定量比较其与电、磁偶极相互作用的强度，并重新审视相关掺杂体系的研究。
2023-04-28 cond-mat.mtrl-sci physics.atom-ph 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
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
Nanophotonic coherent light-matter interfaces based on rare-earth-doped crystals
量子光物质接口（QLMIs）将静态量子比特连接到光子，将使光网络能够用于量子通信，精确的全球时间保持，光子开关和基础物理学研究。稀土离子掺杂晶体是光量子存储器和光子、微波光子和自旋波之间的量子转换器的最新材料。在这里，我们展示了耦合的钕稀土元素的合奏光子纳米腔中制造的钇正硅酸盐主晶体。在高相干的4 I_（9/2）-4F_（3/2）光跃迁中观察到了包括Purcell增强（F=42）和偶极诱导透明的腔量子电动力学效应。由于原子密度的统计精细结构的腔传输的波动进行测量，表示在量子水平上的操作。腔耦合REI的相干光学控制通过光子回波来执行。长的光学相干时间（T2~100微秒）和小的非均匀加宽测量的腔耦合REI，从而证明了它们的潜力，在芯片上可扩展的QLMIs。
2015-07-03 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Uniting Quantum Processing Nodes of Cavity-coupled Ions with Rare-earth Quantum Repeaters Using Single-photon Pulse Shaping Based on Atomic Frequency Comb
Université Paris–Saclay, CEA, CNRS, Institut de physique théorique（巴黎萨克雷大学、法国原子能与替代能源委员会、法国国家科学研究中心、理论物理研究所）；Direction Générale de l’Armement（法国军备总局）；Institut für Experimentalphysik, Universität Innsbruck（因斯布鲁克大学实验物理研究所）；ICFO – Institut de Ciencies Fotoniques, The Barcelona Institute of Science and Technology（ICFO-光子科学研究所，巴塞罗那科学技术研究院）；ICREA – Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats（加泰罗尼亚高级研究学院）；Center for Hybrid Quantum Networks (Hy-Q), The Niels Bohr Institute, University of Copenhagen（哥本哈根大学尼尔斯玻尔研究所混合量子网络中心）
本文提出利用基于原子频率梳的单光子脉冲成型技术，解决腔耦合离子与稀土量子中继器间的时间匹配问题，实现量子节点的高效连接。
2025-01-30 quant-ph
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
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
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
An atomic frequency comb memory in rare-earth doped thin-film lithium niobate
相干存储光信号的原子频率梳存储器是光量子计算机和量子网络的关键构建块。将这种存储器集成到紧凑和芯片级设备中对于可扩展的量子技术至关重要，但迄今为止，大多数演示都是在具有大横截面的散装材料或波导中，或者使用不易适应晶片级加工的制造技术。我们在掺稀土薄膜锂酸盐中展示了紧凑的芯片集成原子频率梳存储。我们的光存储器具有超过100 MHz的宽存储带宽和超过250 ns的光存储时间。在这种器件结构中的增强的光限制使得与用于相同拉比频率的大离子扩散波导相比，光功率降低三个数量级。这些紧凑的原子频率梳存储器为可扩展、高效、电光可调的量子光子系统铺平了道路，该系统可以在紧凑的芯片上存储和操纵光。
2021-11-22 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Efficient and long-lived Zeeman-sublevel atomic population storage in an erbium-doped glass fiber
掺杂到固体中的稀土离子的光泵能级中的长寿命布居存储，被称为持续光谱烧孔，具有重要的基础和技术兴趣。然而，几十年来，在稀土离子掺杂的非晶基质（例如玻璃）中证明深而持久的空穴仍然是一个开放的挑战-这一事实促使我们更好地理解玻璃中杂质和振动模式之间的相互作用。在这里，我们报告的第一个观察和详细的特性，这样的孔在掺铒石英玻璃光纤冷却到低于1 K。我们证明了在铒基态的电子塞曼子能级中的布居存储，其寿命可达30秒，自旋极化率为80%。除了它的基本方面，我们的研究揭示了一个潜在的技术应用稀土离子掺杂的非晶材料，包括在电信波长。
2016-01-08 cond-mat.mes-hall 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
Proposal for matter-wave interferometry with a rare-earth-doped microparticle
The Johns Hopkins University（约翰斯·霍普金斯大学）
本文提出利用嵌入稀土离子的微粒进行物质波干涉，通过光学跃迁传递动量并采用时间对称几何消除初始条件敏感性，从而避免退相干，为量子传感和引力测试提供新平台。
2026-10-07 physics.atom-ph 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
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
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
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
Nonclassical photon-pair source based on noiseless photon echo
提出一种基于稀土离子掺杂晶体中无噪声光子回波的类DLCZ方案，通过直接光学重相位产生可控延迟的相关光子对，可用于建立光子与自旋波激发间的长寿命量子关联。
2023-04-26 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
Controlled growth of rare-earth-doped TiO$_{2}$ thin films on III-V semiconductors for hybrid quantum photonic interfaces
The University of Iowa（爱荷华大学）；McMaster University（麦克马斯特大学）；Oak Ridge National Laboratory（橡树岭国家实验室）
本文提出在GaAs和GaSb衬底上通过低温脉冲激光沉积结合砷保护层与缺氧缓冲层，实现Er³⁺掺杂锐钛矿TiO₂(001)外延薄膜的可控生长，为单片集成稀土量子存储器与半导体单光子源、构建可扩展混合量子光子芯片提供了材料平台。
2025-11-05 cond-mat.mtrl-sci physics.optics quant-ph
Optical decoherence and spectral diffusion in an erbium-doped silica glass fiber featuring long-lived spin sublevels
理解低温冷却的稀土离子掺杂玻璃光纤中的退相干是基本的兴趣，并且是这些材料在量子信息应用中的应用的先决条件。在这里，我们研究的相干性在弱掺杂的铒石英玻璃光纤的动机，我们最近观察到的有效和长寿命的塞曼子级存储在这种材料中，其潜在的应用在电信波长。我们分析光子回波衰减以及光谱扩散的潜在机制，可以通过与动态无序模式，玻璃主机的特性耦合，并通过磁偶极-偶极之间的相互作用$Er^{3+}$离子。我们还研究了有效线宽作为磁场，温度和时间的函数，然后提出了一个模型，描述这些实验观察。我们强调，我们以前观察到的有效光谱烧孔的操作条件（0.6 K和0.05 T）与窄线宽（1 MHz）的操作条件一致（这是稀土离子掺杂玻璃之前未报道的应用的重要特性）。
2016-11-21 cond-mat.mes-hall quant-ph
3D Cavity quantum electrodynamics with a rare-earth spin ensemble
我们提出了腔QED实验与Er：YSO晶体磁耦合到一个3D圆柱形蓝宝石加载铜谐振器。这种波导腔有望实现超导量子处理器。在这里，我们展示了稀土自旋系综与3D架构的相干集成。Er $^{3+}$自旋到3D腔的集体耦合强度为21 MHz。圆柱形蓝宝石加载谐振腔允许我们探索稀土掺杂晶体和腔之间的各向异性集体耦合。这项工作显示了自旋掺杂固体在3D量子线路中作为微波量子存储器以及作为未来的微波-光接口的潜力。
2014-06-13 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Angular dependent micro-ESR characterization of a locally doped Gd3+:Al2O3 system
稀土掺杂晶体与超导电路结构的接口为量子存储器和传感器器件提供了一个有吸引力的平台。在这里，我们提出了这样一个混合系统的详细特征：一个本地注入的稀土Gd $^{3+}$在Al $_2$ O $_3$自旋系统耦合到超导微谐振器。我们通过角相关微共振电子自旋共振（micro-ESR）谱研究了注入自旋系统的性质。我们发现，尽管高能量的近表面注入，所得到的微ESR谱是在良好的协议与建模的哈密顿量，支持掺杂剂离子到其相关的晶格位点的整合，同时保持晶体对称性。此外，我们观察到明确的贡献，从我们的微谐振器的各个微波场分量，强调需要可控的本地植入。
2015-12-07 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.supr-con 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
Microwave to optical photon conversion via fully concentrated rare-earth ion crystals
大多数用于量子信息的固体中的稀土离子的研究使用稀土离子掺杂的晶体。在这里，我们分析的转换量子信息从微波光子的光学频率使用的晶体中的稀土离子，而不是掺杂剂，是主晶体的一部分。大离子密度和小线宽的潜力使得这样的系统在该应用中非常有吸引力。我们表明，以及高效率，大带宽转换是可能的。事实上，稀土离子与光学和微波腔之间的集体耦合足够大，以至于对器件带宽的限制将改为晶体中磁振子模式之间的间隔。
2018-12-08 physics.optics quant-ph
Rare earth spin ensemble magnetically coupled to a superconducting resonator
工作在GHz频率范围内的超导量子处理器与光量子网络和原子量子比特的接口对于实现分布式量子信息处理以及量子通信是一项具有挑战性的任务。使用稀土离子的自旋系综提供了一个极好的机会，桥梁微波和光域在量子水平。本文研究了Y $_{2}$ SiO $_{5}$晶体中Er $^{3+}$自旋与高Q共面超导谐振腔的磁耦合。
2011-05-12 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Effects of Lorentz Symmetry Violation in the Spectra of Rare-Earth Ions in a Crystal Field
我们表明，实验测量掺杂在晶格中的稀土离子的跃迁能量是敏感的局部洛伦兹不变性和爱因斯坦的等效原理的违反。以LaCl $_{3}$的晶场为例，在标准模型扩展的背景下，计算了Ce $^{3+}$，Nd $^{3+}$，Er $^{3+}$掺杂的低激发态之间的跃迁频率随坐标系变化的能量位移，并表明它们对破坏转动不变性的电子异常具有很高的灵敏度.
2015-10-01 hep-ph physics.atom-ph quant-ph
