Selecting ensembles for rare earth quantum computation
J. J. Longdell M. J. Sellars
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。
We discuss the issues surrounding the implementation of quantum computation in rare-earth-ion doped solids. We describe a practical scheme for two qubit gate operations which utilise experimentally available interactions between the qubits. Possibilities for a scalable quantum computer are discussed.
机构、总结、中文摘要均由AI分析而来，可能存在错误，请以论文正文为准。
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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。
Witnessing spin-orbit thermal entanglement in rare-earth ions
我们探讨自旋轨道热纠缠的稀土离子，从平均能量得到的证人的基础上。纠缠温度$T_{E}$，低于纠缠出现，被发现是数千开尔文以上的所有轻稀土室温。这证明了对单个离子的内部自由度之间的纠缠的环境波动的鲁棒性。
A photon-pair source with controllable delay based on shaped inhomogeneous broadening of rare-earth doped solids
原子气体中的自发拉曼辐射提供了具有可控延迟的光子对的有吸引力的源。我们展示了如何在固态系统中实现这种技术，通过适当地塑造非均匀加宽。我们的建议是非常可行的与目前的技术，并提供了一个现实的解决方案，纠缠远程稀土掺杂固体在一个预示的方式。
Universal quantum computing using electro-nuclear wavefunctions of rare-earth ions
提出了一种基于Kramers稀土离子的通用量子计算方案。它们的核自旋在塞曼分裂电子晶体场基态的存在下充当存储量子信息的“被动”量子比特。量子位可以通过快速相干跃迁到具有磁矩的激发晶体场态来光学激活。这些状态之间的偶极相互作用用于实现CNOT门。我们比较我们的建议与一个类似的硅中的磷施主原子的基础上，并讨论显着改善CNOT门时间相比，稀土实现通过较慢的偶极封锁。
Non-destructive photon detection using a single rare earth ion coupled to a photonic cavity
我们研究了将单个稀土离子耦合到具有高协同性的光子腔中对光子进行无损测量的可能性，这对于全局量子网络和光子量子计算将是有用的。我们计算了可实现的保真度作为稀土离子和光子腔的参数的函数，其中包括离子的光学和自旋退相速率，腔线宽，单光子耦合到腔，和检测效率。我们提出了一个有前途的实验实现使用当前状态的最先进的技术在Nd：YVO $_4$。
Interfacing Superconducting Qubits and Telecom Photons via a Rare-Earth Doped Crystal
我们提出了一个将短单光子脉冲耦合到超导量子比特的方案。利用可控的可逆非均匀展宽，光子首先被非均匀展宽的稀土掺杂晶体吸收。然后使用一系列$π$脉冲将光激发映射到自旋态，并随后通过微波腔转移到超导量子位。为了克服稀土掺杂晶体中光学和自旋跃迁的固有和工程非均匀加宽，我们使用了一种特殊的传输协议，使用交错的$π$脉冲。我们预测总的传输效率为90%。
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。
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。
Strong coupling cavity QED using rare-earth-ion dopants in monolithic resonators: what you can do with a weak oscillator
研究了在单片光学谐振腔中利用稀土离子作为杂质实现腔量子电动力学强耦合的可能性。我们的结论是，由于稀土的振子强度弱，它可能是可能的，但很难达到的制度，其中单光子拉比频率是大的腔和原子的衰变率相比。然而，达到饱和光子数和原子数小于1的状态应该更容易实现。我们表明，在这个“坏腔”制度，转移的量子态和光学相移的条件下的原子的状态仍然是可能的，并提出了一种方法用于相干检测单掺杂剂。
Quantum processing with ensembles of rare earth ions in a stoichiometric crystal
我们描述了一种在光学活性稀土离子的晶体化学计量中创建小量子处理器的方法。晶体中掺杂了另一种稀土元素，产生了一个由周围离子组成的相同簇的系综，其光学和超精细频率由它们在簇中的空间位置唯一确定。在掺杂剂周围的每个独特位置中的离子集合充当量子位，不同量子位中的离子之间具有强的局部相互作用。这些系综量子位可以分别用作光的量子存储器，我们展示了量子位之间的相互作用如何用于对存储的光子态执行线性操作。我们还描述了这些集合量子比特如何用于制定和研究纠错。
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。
Optically addressing single rare-earth ions in a nanophotonic cavity
我们演示了光谱分辨单一钕稀土离子在钒酸钇光学探测。离子耦合到一个光子晶体谐振器，并显示出强烈的增强的光发射率通过Purcell效应，导致近辐射限制的单光子发射。测得的高耦合之间的一个单光子和离子的合作允许观察相干光拉比振荡。这可以使光学控制的自旋量子比特，量子逻辑门和自旋光子接口成为未来的量子网络。
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。
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。
Coherence Properties of Rare-Earth Spins in Micrometer-Thin Films
本文通过离子注入技术从体块晶体中制备微米级YAG薄膜，证明其中稀土离子保持光稳定性和类体块自旋相干特性，为稀土离子片上光子集成和量子技术应用提供了可行路径。
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。
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。
Ultrastrong coupling between a microwave resonator and antiferromagnetic resonances of rare earth ion spins
量子磁效应是利用微波与磁有序自旋系统之间强集体耦合的一个新兴而活跃的研究领域。到目前为止，量子磁振子的工作主要集中在过渡金属和几乎完全在钇铁石榴石（YIG）的铁磁共振。反铁磁系统由于不产生杂散场而受到关注，因此对磁扰动具有鲁棒性，并且具有窄的、形状无关的谐振线宽。在这里，我们展示了第一个实验证据之间的微波腔和集体反铁磁共振（磁振子）在稀土晶体的超强耦合。稀土元素独特的光学和自旋性质与集体反铁磁有序的结合为新的量子磁子应用铺平了道路。
Anisotropic rare-earth spin ensemble strongly coupled to a superconducting resonator
在混合量子体系结构中连接光子和固态量子比特为大规模分布式量子计算提供了一条有前途的途径。理想的候选者相干量子比特相互转换的光学活性自旋磁耦合到超导谐振器。我们报道了磁各向异性Er ~（3+）：Y_2SiO_5晶体的腔QED实验，并证明了稀土自旋与集总元件谐振器的强耦合。此外，铒自旋的电子自旋共振和弛豫动力学通过直接微波吸收检测，而无需腔的帮助。
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。
All-electrical Coherent Control of a Single Rare-earth Spin Qubit
本研究实现了单个与Ti原子交换耦合的Er电子自旋的全电控相干操控，利用扫描隧道显微镜电子自旋共振揭示其各向异性，使拉比频率提升10倍，为稀土自旋操控开辟新路径。
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。
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。
Coupling of a locally implanted rare-earth ion ensemble to a superconducting micro-resonator
我们演示了局部注入到衬底中的稀土离子（Gd $^{3+}$ in Al $_{2}$ O $_{3}$）与超导NbN集总元件微谐振器的耦合。该混合装置是通过控制离子注入稀土离子在明确定义的微米尺寸的区域，对准光刻定义的微谐振器。该技术不会降低保持在$10^{5}$以上的谐振器的内部品质因数。使用微波吸收光谱，我们观察到电子自旋共振与数值模拟的良好协议，并提取相应的耦合率的顺序的$1$ MHz和自旋线宽的$50 - 65$ MHz。
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。
Accurate calculation of light rare-earth magnetic anisotropy with density functional theory
本文针对DFT难以处理轻稀土磁性的问题，提出将约束DFT+U、晶体场理论与多体修正相结合的方法，并在TbV6Sn6、TbCo5和SmCo5上验证其有效性。
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。
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。
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.
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。
Rare-Earth Molecular Crystals with Ultra-narrow Optical Linewidths for Photonic Quantum Technologies
稀土离子是在量子水平上构建光-物质界面的理想固态体系。这依赖于它们显示窄光学均匀线宽或等效地长寿命光学量子态的潜力。在这封信中，我们报告的铕分子晶体，表现出线宽在10 kHz的范围内，数量级比其他分子中心窄。我们利用这一属性，以证明有效的光学自旋初始化，相干存储的光使用原子频率梳，和光学控制的离子-离子相互作用实现的量子门。这些结果说明了稀土分子晶体作为光子量子技术的新平台的实用性，该光子量子技术将高度相干的发射器与分子材料的组成，结构和集成能力的无与伦比的多功能性相结合。
Coherent control of electron-nuclear states of rare-earth ions in crystals using radio-frequency and microwave radiation
我们研究了Gd ~（3+）离子在CaWO_4晶体中的电子-电子和电子-核自旋操纵。结果表明，该系统是量子计算中实现多量子比特的理想系统。
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