Feedback cooling of a single trapped ion
Pavel Bushev, Daniel Rotter, Alex Wilson, Francois Dubin, Christoph Becher, Juergen Eschner, Rainer Blatt, Viktor Steixner, Peter Rabl, Peter Zoller
基于保罗阱中单个离子运动的实时测量，我们证明了零差反馈控制（冷阻尼）在多普勒极限以下的机电冷却。基于量子力学主方程的模型很好地描述了反馈冷却的结果。
Based on a real-time measurement of the motion of a single ion in a Paul trap, we demonstrate its electro-mechanical cooling below the Doppler limit by homodyne feedback control (cold damping). The feedback cooling results are well described by a model based on a quantum mechanical Master Equation.
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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Cavity cooling of a trapped atom using Electromagnetically-Induced Transparency
提出了一种结合腔增强散射和电磁感应透明的囚禁原子冷却方案。冷却动力学利用了三光子共振，它结合了激光和腔激发。结果表明，相对快速的基态冷却可以实现在Lamb-Dicke制度和大的合作。有效的基态冷却的参数正在进行的实验。
Cavity sideband cooling of a single trapped ion
我们报告的演示和定量表征的一维腔冷却的一个单一的被困88Sr+离子在解决边带制度。我们测量了腔跃迁的光谱，腔加热和冷却的速率，以及稳态冷却极限。受离子和腔之间的适度耦合限制的22.5（3）运动量子的腔冷却动力学和冷却极限与没有任何自由参数的简单模型[Phys. Rev. A 64，033405]一致，验证了腔冷却的速率方程模型。
Laser Cooling of two trapped ions: Sideband cooling beyond the Lamb-Dicke limit
本文研究了两个囚禁在谐振势中并受库仑排斥作用的离子的激光冷却。边带冷却的兰姆-迪克制度示出类似于边带冷却的单离子。在Lamb-Dicke区域之外，两种振动模式的不可重复的频率导致准连续的能谱，这显著地改变了冷却动力学。冷却时间随冷却转变线宽的增加而非线性减小，并且可以减缓冷却的俘获态的影响被大大减小。我们表明，冷却到基态也是可能的以外的Lamb-Dicke制度。我们开发的模型，并使用量子蒙特卡罗计算的具体例子。我们表明，速率方程处理是一个很好的近似在所有情况下。
Sympathetic Cooling of Trapped Cd+ Isotopes
我们通过直接多普勒冷却114 Cd+离子在同一个陷阱中同情地冷却被捕获的112 Cd+离子。这是第一次演示的光学寻址一个单一的被困离子被同情冷却的不同种类的离子。值得注意的是，该实验使用单个激光源，并且不需要强聚焦。这为减少基于Cd+同位素的离子阱量子计算机中的退相干铺平了道路。
Laser cooling with electromagnetically induced transparency: Application to trapped samples of ions or neutral atoms
利用量子干涉剪裁的三（或多）能级系统的吸收分布，提出了一种新的基态激光冷却囚禁原子的方法。在冷却速率与常规边带冷却相当的情况下，可以实现较低的最终温度。该方法在实验上实现冷却一个单一的钙$^+$离子到其振动基态。由于可以同时冷却宽频带的振动频率，因此该技术对于冷却较大的离子串将特别有用，从而对于基于捕获离子的量子寄存器的初始化具有重要的实际意义。我们还讨论了它在不同能级方案中的应用以及在大失谐驻波激光场囚禁的中性原子基态冷却中的应用。
Robust and optimal laser cooling of trapped ions
我们提出了一种适用于囚禁原子和离子的快速激光冷却方案。基于量子干涉，由一个特殊的激光配置产生的，它是能够迅速冷却系统，使最终的声子占据消失到零阶的Lamb-Dicke参数，与现有的冷却计划。此外，它在波动的激光强度和频率的条件下是鲁棒的，从而使其成为实验应用的可行候选者。
Transverse confinement in stochastic cooling of trapped atoms
本文考虑了激光束腰等于或小于原子云范围时，囚禁原子的随机冷却。它示出，出现各种效果，由于这种横向约束，其中加热的横向动能。的冷却依赖于激光束的大小和位置的分析结果的情况下，一个非简并蒸汽。
Fast cooling of trapped ions using the dynamical Stark shift gate
本文提出了一种基于快速动态斯塔克位移门的囚禁离子激光冷却方案。由于这种冷却方法不包含非共振载流子跃迁，即使在行波光场中也实现了低的最终温度。所提出的方法可以在脉冲或连续模式下操作，并且也适用于在强磁场梯度中使用微波寻址的离子阱。
Laser Cooling of Trapped Fermi Gases deeply below the Fermi Temperature
本文研究了在Festina Lente区，当光子反射引起的热效应被抑制时，极化囚禁费米气体的集体喇曼冷却。我们预测，通过调整自发拉曼发射率和使用适当设计的非谐陷阱，可以在3D中实现费米温度的2.7%的数量级的温度。
Measurement-based ground state cooling of a trapped ion oscillator
基于测量的冷却是一种方法，通过这种方法，最初处于热态的量子系统可以通过某种测量在其基态中制备。这是通过进行预示系统处于所需状态的测量来完成的。在这里，我们演示了应用基于测量的冷却技术被困原子离子。通过多普勒激光冷却将离子预冷却到具有平均激发$\bar n \approx 18$的热状态，并且基于测量的冷却技术选择离子恰好处于运动基态的那些场合。预告过程的保真度大于95%。这种技术可以应用于不像捕获离子那样适合于激光冷却的其他系统。
Quantum feedback cooling of a single trapped ion in front of a mirror
我们发展了一个理论的量子反馈冷却的单离子被困在前面的镜子。通过监测发射到镜模式的光的运动边带，我们推断出离子的位置，并以适当的力来冷却离子。我们推导出一个反馈主方程沿线的量子反馈理论开发的怀斯曼和米尔本，它为我们提供了冷却时间和最终温度作为反馈增益和各种系统参数的函数。
Sideband Cooling of a Trapped Ion in Strong Sideband Coupling Regime
传统的关于囚禁离子基态激光冷却的理论研究主要集中在弱边带耦合（WSC）机制上，即冷却速率与激发态的线宽成反比。在最近的工作~[New J. Phys. 23，023018（2021）]中，我们提出了一个理论框架来研究强边带耦合（SSC）机制中捕获离子的基态冷却，假设载流子跃迁消失。在这里，我们将这种分析扩展到更一般的情况下与非零载流子跃迁，在那里我们表明，通过适当地调整耦合激光器的冷却速率成正比的线宽可以实现。我们的理论预测与相应的精确解在SSC制度，这提供了一个重要的边带冷却实验的理论指导。
Cooling trapped atoms in optical resonators
我们导出了一个方程的冷却动力学的量子运动的原子被囚禁在一个外部的潜力内的光学谐振腔。这个方程具有广泛的有效性，并允许我们确定新的制度，运动可以有效地冷却到潜在的基态。我们的研究结果表明，运动是严重影响的量子关联诱导的机械耦合与谐振器，这可能会导致选择性抑制某些跃迁的适当的参数制度，从而提高冷却效率。
Superior dark-state cooling via nonreciprocal couplings in trapped atoms
将囚禁原子冷却到运动基态是量子模拟和量子计算应用的关键。利用原子间的非互易耦合，我们提出了一种有趣的$Λ$型三能级结构的暗态冷却方案，该方案优于传统的单原子电磁诱导透明冷却方案.有效的非互易耦合可以通过原子波导接口或自由空间光子量子链路来促进。通过剪裁系统参数允许在暗态冷却，我们确定了更好的冷却性能与增强的冷却速率的参数区域。我们进一步证明了映射到暗态边带冷却下的非对称激光驱动场，这表明了一个独特的热传递，并承诺一个出色的暗态边带冷却辅助集体自旋交换相互作用。
Enhanced dark-state sideband cooling in trapped atoms via photon-mediated dipole-dipole interactions
分辨边带冷却是将原子冷却到运动基态的关键步骤，这在基于原子的量子技术中是必不可少的。在这里，我们提出了一个增强的暗态边带冷却囚禁原子利用光子介导的偶极-偶极相互作用。通过将原子放置在魔粒间距离处，我们在目标原子中表现出优于冷却行为，这超过了单个原子所允许的极限。我们进一步研究了不同的原子配置在多原子设置与激光失谐和不同的光偏振角，其中多个魔间距可以识别和冷却性能的适度改善，预计随着原子数量的增加。我们的研究结果提供了深刻的见解与集体和光诱导的长程偶极-偶极相互作用的原子的亚反冲冷却，并铺平了道路，实现真正的量子操作在多个量子寄存器。
Broadband laser cooling of trapped atoms with ultrafast pulses
利用锁模激光器产生的超快脉冲演示了射频阱中原子离子的宽带激光冷却。单离子的温度是通过观察离子在已知的谐波阱势中的时间平均图像的大小来测量的。虽然观察到的最低温度只有大约1 K，但这种方法有效地冷却了非常热的原子，并且可以充分地定位被捕获的原子，以产生接近衍射极限的原子图像。
Parallel-Electromagnetically-Induced-Transparency Near Ground-State Cooling of a Trapped-ion Crystal
我们从理论上提出并实验证明了保罗阱中离子晶体的平行电磁感应透明（平行EIT）冷却技术。与标准的电磁感应透明（EIT）冷却相比，它对冷却共振条件的要求不那么严格，因此原则上允许同时冷却具有任意范围的动模谱。实验证明了这种冷却方案的原理验证，最多可捕获4个40 Ca+离子。我们观察到的最佳平均声子数约为0.2的所有运动模式的同时近基态冷却。通过在大范围内调谐陷阱频率以模拟宽带运动模式谱，我们仍然可以达到几乎相同的冷却极限，而标准EIT冷却显示有限的冷却范围。我们的方法具有简单的实验配置，仅需要标准EIT冷却的探测束的适当调制，并且可以应用于各种类型的离子（例如，~（171）Yb ~+，~（40）Ca ~+）。这种冷却方案为囚禁离子量子计算机和模拟器的初始化提供了强有力的工具。
Motional sidebands and direct measurement of the cooling rate in the resonance fluorescence of a single trapped ion
利用外差技术对单个囚禁离子的共振荧光进行了光谱分析。在荧光光谱中观察到由于离子在谐波势阱中振荡而产生的运动边带。从边带的宽度得到的冷却速率，发现是与理论预测。
Doppler cooling of an optically dense cloud of trapped atoms
本文研究了用激光冷却极化囚禁原子云到多普勒温度的一般技术。利用偏振光的一维光学糖蜜冷却阱中原子的轴向运动自由度。径向自由度的冷却可以通过光学致密云中散射光子的再吸收来模拟。我们目前的实验结果的铬原子云的磁阱。一个简单的模型的基础上速率方程与实验结果定量一致。这个方案使我们能够很容易地准备一个稠密的原子云在磁阱与理想的蒸发冷却的起始条件。
Cooling the motion of a trapped atom with a cavity field
我们从理论上分析了原子在高精细度光学谐振腔中的冷却动力学。通过适当定制的散射过程来实现冷却，其中原子偶极跃迁将腔光子散射到谐振器外部的电磁场中，或者将受激发射执行到腔模式中，然后通过腔镜消散。我们确定的参数制度中，原子的质心运动可以冷却到基态的外部陷阱。我们预测，特别是，高cooperativities介导的原子跃迁的干扰效应可能会导致更高的效率。的动力学进行了比较与冷却动力学的被困原子内的谐振器中研究[物理评论快报。95，143001，（2005）]，其中原子而不是腔由激光场驱动。
Collisional effects on the collective laser cooling of trapped bosonic gases
分析了原子-原子碰撞对集体激光冷却方案的影响。本文导出了描述弱凝聚区原子-原子碰撞时激光冷却的量子主方程。利用这个方程，我们进行了一维和三维的种群动力学的蒙特卡罗模拟。我们观察到，基态激光诱导凝聚的存在下，碰撞保持。激光冷却导致从描述碰撞诱导平衡的玻色-爱因斯坦分布到具有有效零温度的分布的转变。我们还分析了原子-原子碰撞对冷却到阱的激发态的影响。
Laser cooling of a trapped particle with increased Rabi frequencies
本文分析了单个粒子在简谐阱中的冷却问题，采用了比以往文献中更少的近似。我们避免了原子激发态的绝热消除，但仍然对Lamb-Dicke参数$η\ll 1$感兴趣。我们的研究结果表明，拉比频率的冷却激光器可以选择高于先前假设的，从而增加了有效的冷却速率，但{\em不}影响冷却过程的最终结果。由于激光冷却已经是一个完善的实验技术，本文的主要目的是提出一个模型，可以扩展到更复杂的情况下，如腔介导的激光冷却。
Memory coherence of a sympathetically cooled trapped-ion qubit
我们证明了一个43 Ca+捕获离子的“记忆”量子位的交感冷却的40 Ca+“冷却剂”离子附近的两个轴向运动模式的基态，同时保持量子位的相干性。这是捕获离子量子计算机的重要组成部分。由于照射两种离子的冷却光，同位素位移足以抑制记忆量子位的退相干和相移。我们在10个边带冷却循环期间测量量子比特相干性，发现每个冷却循环的相干性损失为3.3%。该方法的自然极限是O（0.01%）失真每个冷却循环。
Modeling and control of entanglement dynamics in laser cooling of trapped atoms
讨论了电磁感应透明（EIT）激光冷却中囚禁原子内外自由度纠缠的动力学行为。结果表明，在充分的数值模拟的基础量子主方程中观察到的复杂的纠缠动力学的基本特征可以理解的两态模型的基础上的朗道-齐纳分裂的原子激光场哈密顿量。将该模型推广到一个有效的非厄米哈密顿量，该哈密顿量描述了由自发发射过程引起的纠缠衰变。我们还讨论了控制纠缠的方案，并证明了通过快速关闭驱动场，可以在被囚禁的原子上留下永久纠缠的印记。最后，我们指出了EIT冷却和基于速度选择相干布居囚禁的冷却方案中产生的纠缠之间的根本区别。
Mechanical effects of optical resonators on driven trapped atoms: Ground state cooling in a high finesse cavity
我们从理论上研究了光场对原子的力学效应，原子被一个外势阱捕获，它的偶极跃迁耦合到一个光学谐振腔的模式，并由激光驱动。我们推导了量子质心动力学的解析表达式，该表达式在紧外势的情况下是有效的。这个方程具有广泛的有效性，并允许一个透明的解释导致冷却的个人散射过程。我们表明，动力学是一个竞争的机械效应的腔和激光光子，这可能会相互干扰。我们专注于好腔的限制，并确定新的冷却方案，这是基于量子干涉效应，并导致有效的基态冷却实验可访问的参数制度。
Microwave-driven same-species sympathetic cooling for trapped ions
研究提出用同种类离子进行交感冷却的方案，通过集成微波控制实现脉冲边带冷却和离子寻址，简化光学要求，将双离子门模式冷却到接近基态，测试了每个冷却周期数据量子比特的诱导误差。
Laser cooling of single trapped atoms to the ground state: a dark state in position space
我们提出了一个方案，允许激光冷却囚禁原子的基态的一维限制势。该方案基于通过设计激光轮廓来创建暗态，以便将最热的原子相干泵浦到另一个内部能级，然后再泵浦回来。该方案在Lamb-Dicke极限之外有效。我们提出了一个完整的量子处理的一维模型的结果。
Dark state cooling of a trapped ion using microwave coupling
提出了一种新的Lamb-Dicke极限下囚禁离子系统的暗态冷却方法。利用微波对离子进行修整，可以得到两种电磁感应透明结构。由于EIT效应，由载流子和蓝边带跃迁引起的热效应消失，最终的平均声子数可以远小于反冲极限。我们的方案对微波功率和激光强度的波动具有鲁棒性，这提供了宽的冷却带宽来冷却线性离子链的运动模式。而且更适合在大规模的离子芯片上冷却四能级离子。
Fast Cooling of Trapped Ion in Strong Sideband Coupling Regime
在具有Lamb-Dicke参数$η\ll1$的Lamb-Dicke区中的被俘获离子可以使用边带冷却被冷却到其运动基态。标准边带冷却在弱边带耦合极限下工作，其中边带耦合强度与内部激发态的自然线宽$γ$相比较小，冷却速率远小于$γ$。在这里，我们考虑强边带耦合机制中的冷却方案，其中边带耦合强度与$γ$相当或甚至更大。我们推导出的冷却速率和平均占领的运动稳态在这个政权的基础上，我们表明，可以达到一个冷却速率是成比例的$γ$的解析表达式，而在同一时间的稳态占领增加的校正项成比例的$η^{2}$相比，弱边带耦合限制。我们证明了与数值模拟，我们的解析表达式忠实地恢复在强边带耦合制度的确切动态。
Synthetic cooling translational mode of an optically trapped nanoparticle through librational mode
我们系统地研究了光悬浮非球形纳米粒子的多稳定性行为和平移和平移模式的冷却。将囚禁势展开到平动自由度和平动自由度的四阶，导出了它们的非线性和非线性耦合。通过稳定性分析，我们发现当平动驱动和平动驱动都是红失谐时，系统呈现多重稳定性。当且仅当这两个驱动器都是蓝色失谐时，系统才稳定。在定态区，我们利用平动模研究了平动模的综合冷却方案。我们发现，匹配这两种模式的驱动幅度和适当的空气压力可以优化合成冷却。将反馈冷却与合成冷却相结合，可以大大提高合成冷却极限。
Laser cooling of trapped Fermi gases
被困的一个和两个组件的费米气体的集体拉曼冷却被认为是。我们得到的量子主方程描述的激光冷却在festinalente制度，由于光子再吸收加热可以忽略。对于两组分的情况下的碰撞过程中描述的量子玻尔兹曼主方程的形式主义。在冷却过程中适当调节自发拉曼速率可以克服对自发发射的抑制。我们的数值结果的Monte Carlo模拟相应的速率方程的基础上，表明三维温度的顺序$0.08 T_F$（单组分）和$0.03 T_F$（双组分）可以实现。我们研究了激光冷却气体的平衡分布的统计特性，结果表明，与费米面附近的热分布相比，数涨落增强。最后，我们分析了与背景损失相关的加热，得出结论，我们的激光冷却方案应该保持气体的温度，而不会产生显著的额外损失。
Dynamical Cooling of Trapped Gases I: One Atom Problem
本文研究了Lamb-Dicke区外谐波势阱中原子的激光冷却。通过使用不同失谐量的激光脉冲序列，我们证明了原子可以被限制在陷阱的一个态中，或者是谐振势的基态，或者是谐振势的激发态。最后一个可以实现，因为在某些条件下，激发态变成暗态。我们从一维和二维两个维度来研究这个问题。对于后一种情况，一种新的冷却机制是可能的，基于在不同方向上的激光场的效果之间的相消干涉，这允许创建各种暗态。对于一维和二维的情况下，蒙特卡罗模拟的冷却动力学。
Sympathetic Cooling in Trapped Ions with Spectral Selectivity via the Zeeman Shift
提出一种利用塞曼位移和窄四极跃迁实现谱选择性协同冷却的方案，在冷却离子链的同时减少对数据离子的退相干影响。
Quantum limited velocity readout and quantum feedback cooling of a trapped ion via electromagnetically induced transparency
本文讨论了在基于电磁感应透明（EIT）的受驱动$Λ$系统中，利用折射率的高速灵敏度，对单个原子动量的连续观测。在单位收集效率的理想极限中，这提供了对原子运动具有最小反作用的量子限制测量。反馈回路以与测量信号成比例的力驱动原子，为原子运动提供冷却机制。我们推导出了描述反馈冷却的主方程，并表明在Lamb-Dicke极限下，稳态能量接近于基态，仅受光子收集效率的限制。在Lamb-Dicke区域之外，预测的温度远低于多普勒极限。
Quantum feedback cooling of a trapped nanoparticle by using a low-pass filter
本文提出利用低通滤波器反馈控制实现受困纳米粒子的量子冷却，通过优化能量成本函数，使声子占据数低于传统方法，从而更有效地达到基态。
Cooling the Collective Motion of Trapped Ions to Initialize a Quantum Register
我们报道了在基态制备两个捕获的9 Be+离子的集体运动模式。这是实现量子逻辑门的关键一步，量子逻辑门可以纠缠离子的内部电子状态。我们发现，加热的相对离子运动的模式基本上被抑制相对的质心模式，这表明这些模式在未来的实验中的重要性。
Raman cooling and heating of two trapped Ba+ ions
本文研究了在S_1/2-P_1/2（493 nm）和P_1/2-D_3/2（650 nm）共振附近激光照射下，两个138 Ba ~+离子在电动势阱中集体振动的冷却。离子的运动状态由空间分辨光电倍增管监测。根据失谐量和强度的冷却激光，宏观上不同的运动状态对应于不同的离子温度观察。我们还推导出离子的温度从详细的分析计算的激光冷却考虑到塞曼结构的能级参与。观察到的运动状态与计算的温度完全匹配。在塞曼分裂S_1/2-D_3/2拉曼跃迁的暗共振附近观察到明显的加热。在这里，双光子过程主导激光和离子之间的相互作用。识别出暗示最有效的激光冷却的激光参数状态。
Dissipation-assisted quantum gates with cold trapped ions
结果表明，通过同时施加两个激光场，可以一步实现两个量子比特的相位门和冷囚禁离子的基态之间的SWAP操作。在门操作期间的冷却是可能的，而不干扰计算，并且该方案不需要用于交感冷却的第二离子种类。相反，冷却激光器甚至稳定了系统的期望时间演变。这提供了与离子到共同振动模式的反耦合常数几乎相同数量级的门操作时间。
A scalable helium gas cooling system for trapped-ion applications
微加工离子阱器件为可扩展的量子计算提供了一条有前途的途径。研究工作已经开始集中在与开发大规模离子阱阵列和网络相关的工程挑战上。然而，增加阵列的尺寸和集成芯片上的电子器件会大大增加离子阱芯片内的功耗。这导致离子阱的工作温度升高，并限制了器件性能。因此，有效的热管理是任何大型架构的重要考虑因素。这里介绍的是一个模块化的冷却系统，设计用于多个离子捕获实验同时使用的发展。该系统包括一个可扩展的低温恒温器，允许缩放冷却功率以满足大型网络的需求。在对两个独立的离子阱实验进行实验测试后，冷却系统预计将在~70 K下为多达四个实验提供111 W的净冷却功率。该冷却系统是朝着应对操作具有许多量子位的大规模量子计算机的实际挑战迈出的一步。
Effective damping in the Raman cooling of trapped ions
本文提出了一种处理单个三能级离子与两束激光相互作用的方法。我们的想法是应用一个酉变换，使得精确变换的哈密顿量具有三个级别之一的去耦的所有值的失谐。当考虑阻尼时，系统的演化由主方程控制，主方程通常在远失谐激光器的假设下通过绝热近似获得。为了克服这种技术的缺点，我们使用相同的酉变换来获得有效的主方程。
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。
Cavity sideband cooling of trapped molecules
本文从理论上研究了两个振转态之间的红外跃迁作为循环跃迁时，囚禁分子的腔边带冷却效率。假设分子被捕获的射频或光学捕获的潜力，这取决于他们是否带电或中性，并限制在一个高精细光学谐振腔，增强辐射发射到腔模式。使用现实的实验参数和COS作为一个代表性的分子的例子，我们表明，在这种设置冷却到陷阱基态是可行的。
Simple experimental methods for trapped ion quantum processors
描述了两种技术，简化了测量和操纵存储在捕获离子中的量子信息的实验要求。第一种是一种新的技术，使用电子搁置测量的人口的塞曼次能级的基态，在一个离子，没有循环过渡存在于任何这些次能级。第二种技术是激光冷却到振动基态，而不需要在Lamb-Dicke极限下工作的陷阱。这需要在子反冲状态下进行边带冷却。我们提出了一个彻底的分析边带冷却的一个或一对边带同时。
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。
Experimental demonstration of ground state laser cooling with electromagnetically induced transparency
基态激光冷却的一个单一的陷阱离子是使用一种技术，该技术通过利用电磁诱导的透明度在塞曼结构的偶极跃迁的冷却激光的吸收轮廓。这种新的方法是强大的，易于实现，并证明是特别有用的同时冷却多个运动自由度，这是具有很大的实际意义的量子逻辑方案的实施与囚禁离子。
Cooling Techniques for Trapped Ions
本书的这一章介绍和概述了冷却被困离子的方法。主要对象是进入该领域的研究人员。它并不打算作为一个全面的调查和历史帐户的广泛文献关于这一主题。我们提出了几种冷却方案背后的物理思想，概述了它们的数学描述，并指出了对更深入研究这一主题有用的相关文献。
Quantum calculation of feedback cooling a laser levitated nanoparticle in the shot-noise-dominant regime
在本文中，量子计算结果的反馈冷却的光囚禁纳米粒子在激光射击噪声占主导地位的制度。我们数值研究系统使用参数和力反馈冷却计划。对于相同的测量效率，力反馈的冷却极限低于参数反馈。我们还开发了一套半经典的反馈冷却方程，精确匹配的量子结果。通过重新标度半经典方程，证明了冷却动力学唯一地由反馈强度、测量效率和散粒噪声引起的一个振荡周期内的占据数变化决定.最小占用数由测量效率和一个周期内占用数的变化确定。
Population dynamics in sideband cooling of trapped ions outside the Lamb-Dicke regime
本文给出了浅势阱中原子离子光学边带冷却的模拟结果。在这样的阱中，离子不能被多普勒冷却到接近Lamb-Dicke区域（$η^2(2n+1) \ll 1$）。在Lamb-Dicke区之外，边带冷却动力学被各种Fock态的存在所改变，在这些Fock态中冷却变得非常缓慢。在我们的潘宁阱中捕获的钙离子实现了这样的情况，因此单级冷却对于在运动基态中制备离子是低效的。对于这些系统，有必要详细研究的冷却动力学，我们表明，它是可能的，以实现有效的基态冷却的优化冷却序列。我们还提出了模拟的冷却动力学的两个离子被困在一个潘宁陷阱，其中一个额外的运动模式的存在下，需要一个复杂的冷却序列，以冷却两个轴向模式的基态同时。此外，我们还研究了潘宁阱中单个离子的边带加热。
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。
Cold Trapped Ions as Quantum Information Processors
在本教程中，我们将回顾使用冷捕获离子系统的量子计算的物理实现。我们系统地讨论了使执行成为可能的所有方面。首先讨论了线性Paul阱中原子离子的加载和囚禁，然后描述了囚禁离子的集体振动运动。此外，我们讨论了离子与激光束的相互作用。我们处理的相互作用中的行波和驻波配置的偶极和四极跃迁。本文综述了与囚禁离子有关的各种激光冷却技术。我们解决多普勒冷却，边带冷却和超过Lamb-Dicke限制，交感冷却和激光冷却使用电磁感应透明。然后讨论了用电子搁置法进行状态检测的问题。然后介绍了量子门。我们介绍了单量子比特旋转、双量子比特受控非门和多量子比特受控非门。我们还评论了更先进的多量子位逻辑门。我们描述了如何量子逻辑网络可用于合成任意纯量子态。最后，我们讨论了量子门的速度，并给出了一些数值估计。非共振跃迁动力学的讨论与弱耦合区和Lamb-Dicke区的定性估计有关，见附录。
Depolarisation cooling of an atomic cloud
我们提出了一个冷却计划的基础上去极化的极化云被困原子。类似于绝热退磁，我们建议通过偶极弛豫使用云的内部自旋库和外部动力学库之间的耦合来降低云的温度。通过光泵浦，可以冷却自旋库并强制冷却过程。在偶极铬原子的捕获气体的情况下，我们表明，这种冷却技术可以连续进行，并用于接近临界相空间密度的BEC
Laser cooling trapped-ion crystal modes beyond the Lamb-Dicke regime
针对兰姆-迪克区外囚禁离子晶体的冷却问题，提出非微扰半经典方法，可准确模拟高能现象并与实验及全量子模拟对比，补充全量子模型，实现更高能标下的快速准确预测。
Chiral-coupling-assisted refrigeration in trapped ions
本文提出利用囚禁离子间光介导的手性耦合实现超越单离子边带冷却极限的制冷方案，并确定了最优操作条件与更快冷却的参数区域，为量子计算与模拟提供了突破冷却瓶颈的新资源。
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。
Comparing resolved-sideband cooling and measurement-based feedback cooling on an equal footing: analytical results in the regime of ground-state cooling
我们表明，在该制度的基态冷却，简单的表达式可以推导出的性能解析边带冷却-相干反馈控制的一个例子--和最佳的线性测量为基础的反馈冷却谐振子。这些结果对于定义该政权的小参数的领导秩序是有效的。他们提供了深入了解线性系统的相干和基于测量的反馈的局限性的起源，以及它们之间的关系。这些限制不是由量子力学施加的基本界限，而是由于两种冷却方法都被限制为仅使用与谐振器的线性相互作用的事实。我们比较了这两种方法的性能在平等的基础上-也就是说，对于相同的相互作用强度-并确认相干反馈能够更好地利用线性相互作用比基于测量的反馈。我们发现，这种性能差距是由测量的反作用噪声，但由投影噪声。我们还获得了简单的表达式，可以通过这两种方法在此制度下，优化的相互作用强度的最大冷却。
Feedback Cooling of a Single Neutral Atom
我们演示了在高精细度光学谐振腔中捕获的单个铷原子运动的反馈冷却到约160 μK的温度。随时间变化的透射率和强度相关测量证明了原子位置不确定性的降低。反馈将1/e存储时间增加到1秒状态，比没有反馈的情况长30倍。因此，反馈冷却可与现有技术的激光冷却相媲美，但其优点是需要较少的光学通路并表现出较少的光学泵浦。
Fano Resonance in Excitation Spectroscopy and Cooling of an Optically Trapped Single Atom
本研究针对光阱中单中性原子的冷却需求，采用电磁感应透明（EIT）技术实现冷却，在荧光激发光谱中观测到Fano共振，最终温度达约6 μK，较偏振梯度冷却效果提升一倍。
Fluorescence during Doppler cooling of a single trapped atom
利用半经典方法研究了初始热态单囚禁原子在弱束缚态下多普勒冷却的时间动力学。我们开发了一个分析模型的最简单的情况下，一个单一的振动模式的谐波陷阱，并显示该模型如何使我们能够通过观察冷却过程中的荧光率来估计被困粒子的初始能量。这种温度测量的实验实现提供了一种通过观察在没有冷却的情况下的温度上升来测量原子加热速率的方法。与传统的边带检测方法相比，该方法在技术上相对简单，并且这两种方法是合理的一致。我们还讨论了RF微动的影响，相关的被困原子离子，和冷却动力学上的振动模式之间的耦合的效果。
Quantum Feedback Cooling without State Filtering
本文提出一种无需全实时量子态估计的量子反馈冷却方法，通过简单测量记录过滤模拟反馈信号，提升冷却效率。
Efficient ground-state cooling of large trapped-ion chains with an EIT tripod scheme
我们报道了一个大的囚禁$^{171}$ Yb $^+$离子链的电磁感应透明（EIT）冷却到量子基态。与传统的EIT冷却不同，我们采用了四层三脚架结构，并在所有运动模式下实现了快速的亚多普勒冷却。我们观察到同时基态冷却整个完整的横模谱的$40$离子，占用超过$3$ MHz的带宽。观察到冷却时间小于$300\,μ$ s，与离子数无关。这种在整个光谱范围内的有效冷却对于使用量子模拟器或量子计算机的捕获离子晶体的高保真量子操作至关重要。
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