Robustness of spatial Penning trap modes against environment-assisted entanglement
本文用正部分转置（PPT）判据研究了环境存在时潘宁阱中带电粒子空间模的可分性。假设一个弱的马尔可夫环境，线性Lindblad算子描述，我们的研究结果强烈表明，轴向和回旋自由度的环境耦合不会导致纠缠在实验现实的温度。因此，我们认为，除了不可避免的退相干，这样的环境的存在不会改变最近提出的量子信息协议在潘宁陷阱，这是基于粒子的自旋与空间模式的组合的有效性。
2011-01-19 quant-ph
Trap assisted creation of giant molecules and Rydberg-mediated coherent charge transfer in a Penning trap
我们研究了潘宁阱中的两个离子。我们表明，电子高度激发态存在，其中一个电子是离域的两个离子之间形成一个巨大的分子的几个微米的大小。在接近库仑势垒顶部的能量下，这些分子态可以被视为单个离子的里德伯态的叠加。我们照亮的可能性，观察离子之间的相干电荷转移。超过临界主量子数，电子可以相干地隧穿库仑势垒到达相邻的双电荷离子。隧穿发生在时间尺度上，在这个时间尺度上，原子核的动力学可以被认为是冻结的，辐射衰变可以忽略不计。
2008-09-18 quant-ph
Array of planar Penning traps as a nuclear magnetic resonance molecule for quantum computation
平面潘宁陷阱阵列，持有单电子，可以实现一个人工分子适用于NMR类量子信息处理。有效的自旋-自旋耦合是通过施加磁场梯度来实现的，结合到带电粒子之间的库仑相互作用。该系统适合于可扩展性，因为相同的基板可以很容易地容纳任意数量的陷阱。此外，耦合强度是可调的，并在实验控制下。我们的理论预测考虑到了现实环境，在当前技术的范围内。
2005-09-16 quant-ph
Quantum spin models with electrons in Penning traps
我们提出了一个计划，工程师从一个系统的电子限制在微潘宁陷阱的有效自旋哈密顿量。通过适当的电磁脉冲序列，交替自由演化的周期，我们控制自旋-自旋相互作用的形状和强度。此外，我们可以修改粒子自旋所经历的有效磁场。这一过程使我们能够再现著名的量子自旋系统，如伊辛和XY模型。由于其可扩展性，我们的计划可以适用于相当大数量的捕获粒子在不久的将来的技术。
2008-06-21 quant-ph
Atomic Supersymmetry, Oscillators, and the Penning Trap
本文首先介绍了原子超对称性的一些背景知识和结果。概述了任意维超对称库仑问题和振子问题之间的联系。接下来，我处理的问题，找到一个描述的超光速为基础的量子亏损理论的振荡器。一个模型与非调和项，产生分析本征函数的任意尺寸的解决这个问题。最后，我表明，geonium原子（粒子包含在一个潘宁陷阱）提供了一个实现的多维谐振子在一个理想化的限制。这里提出的非调和理论提供了一种模拟现实情况的手段。
1995-08-22 quant-ph
Novel designs for Penning ion traps
我们提出了一些替代设计的潘宁离子阱适用于量子信息处理（QIP）与原子离子的应用。第一个陷阱设计是一个简单的阵列长直线，允许容易的光学访问。这个陷阱的原型已建成陷阱Ca+和一个简单的电子检测方案已被用来演示陷阱的操作。另一种陷阱设计由一个导电板组成，导电板上有一个孔，位于连续导电平面上方。最终的陷阱设计是基于一个阵列的垫电极。尽管这种阱设计缺乏上述阱的开放几何形状，但垫设计可以证明在混合方案中是有用的，其中信息处理和量子位存储发生在不同类型的阱中。垫陷阱的行为进行了数值模拟和技术之间的陷阱迅速移动离子进行了讨论。这些不同的设计与未来的实验进行了讨论。所有的设计都适合于构建多个阱阵列，如可扩展离子阱QIP所需。
2006-03-22 quant-ph
Penning micro-trap for quantum computing
本文提出用3 T磁场替代射频场的彭宁微阱，实现离子全量子控制与平面内任意输运，改进量子CCD架构，助力大规模囚禁离子量子计算。
2024-03-13 quant-ph
Dynamics of axialized laser-cooled ions in a Penning trap
我们报告的实验表征的轴化-一种方法，减少磁控管运动的少量离子存储在潘宁陷阱。这是研究潘宁陷阱对量子信息处理的适用性的重要一步。磁控管运动耦合到激光冷却的修改回旋运动的应用程序的近共振振荡四极电位（“轴向驱动器”）。离子的径向运动的冷却速率的测量表明，施加轴向驱动的磁控管运动的阻尼率的数量级的增加。实验结果与最近的理论研究定性一致。特别地，当轴向化驱动频率扫过最佳值时，在运动频率中观察到经典的避免交叉，证明轴向化确实是共振效应。
2007-10-24 quant-ph
Bang-bang shortcut to adiabaticity in the Dicke model as realized in a Penning trap experiment
我们介绍了一个bang-bang捷径绝热Dicke模型，我们通过一个2-D阵列的被困离子在一个潘宁陷阱与自旋相关的力失谐接近的质量中心鼓面模式。我们的重点是利用这种捷径来创建可用于高精度计量的高度纠缠态。我们强调，bang-bang方法的性能与标准制备方法相当，但可以在更短的时间内应用。我们将这些理论思想与实验数据进行比较，这些实验数据是实现产生多体纠缠的理论过程的第一步。
2019-02-09 quant-ph
Improvement of Laser Cooling of Ions in a Penning Trap by use of the Axialisation Technique
本文报道了潘宁阱中单个离子和小团离子的轴化和激光冷却的研究。施加到分段环形电极的弱射频信号将磁控管运动耦合到回旋加速器运动，这导致磁控管运动的改进的激光冷却。这使我们能够接近保罗陷阱的捕获条件，但没有任何微动。使用ICCD相机，我们表明，一个单一的离子的运动可以被限制到10 $μ$ m的顺序的尺寸。我们已经测量到增加磁控管冷却速率使用射频光子相关技术。对于某些激光冷却条件，云的质心的磁控管运动增长并稳定在一个大的值。光子-光子相关测量证实，这导致离子在一个小的云中一起围绕陷阱的中心运行。
2003-01-23 quant-ph
Classical-quantum correspondence for particles in the Penning trap
本文通过将经典轨迹注入定态波函数，构造了彭宁阱中粒子薛定谔方程的新解，从而建立了经典轨道与量子波函数之间的直接对应关系。
2023-05-24 physics.atom-ph quant-ph
Single Electrons in a Dual-Plane Printed-Circuit-Board Penning Trap
Harvard University（哈佛大学）；Northwestern University（西北大学）
在双平面PCB潘宁阱中实现单电子捕获与检测，表征了确定性加载、轴向阻尼、温度及碰撞诱导磁控管半径增长，为量子信息科学奠定基础。
2026-06-29 physics.atom-ph quant-ph
Doppler Cooled Ions in a Compact, Reconfigurable Penning Trap
我们报告的设计和实验演示的一个紧凑的，可重构的潘宁离子阱构造与稀土永磁体放置在阱真空外壳外。我们描述了多普勒激光冷却离子在永磁体潘宁陷阱的第一次观察。我们详细介绍了一种方法，用于量化和优化的陷阱磁场均匀性原位使用中性$^{40}$钙前体原子的热束。在0.65 T下对$^{40}$ Ca $^+$进行了多普勒激光冷却，捕获离子荧光的侧视图显示了二维和三维阵列的结晶顺序。测量的$^{40}$ Ca $^+$陷阱频率证实了中性$^{40}$ Ca的磁场表征。这里描述的紧凑型阱能够实现各种冷离子实验，相对于传统的基于电磁体的潘宁阱，具有低尺寸、重量、功率和成本要求。
2019-09-13 physics.atom-ph quant-ph
Searching for effects of Spatial Noncommutativity via a Penning Trap
探讨了通过潘宁陷阱测试空间非对易性的可能性。考虑了空间-空间和动量-动量非对易的情况。空间非对易性导致Penning陷阱的轨道角动量谱具有分数值，在动能和随后的磁场消失的限制下，该系统具有非平凡动力学.最低轨道角动量的主导值是$\hbar/4$，这是空间非对易性的明确信号。这个预测的斯特恩-格拉赫型实验的实验验证建议。
2005-08-03 hep-ph quant-ph
Demonstration of a Spherical Penning Trap for Single Electrons
Harvard University（哈佛大学）；Harvard-MIT Center for Ultracold Atoms（哈佛-麻省理工学院超冷原子中心）
本文展示了一种球形彭宁阱，其具有分离清晰的微波共振模式，可用于电子磁矩精密测量以及暗光子和轴子搜索，并演示了单电子捕获和微波模式表征。
2026-06-08 hep-ex physics.atom-ph quant-ph
From a single- to a double-well Penning trap
新一代的平面潘宁陷阱有望成为量子信息研究的一种灵活而通用的工具。在这里，我们提出了一个完全可控的和可逆的方式来改变典型的陷阱谐波势到双阱势，在轴向方向。在这种配置中，捕获的粒子可以在两个阱之间进行相干振荡。隧穿速率取决于势垒高度和宽度，可以通过改变施加到陷阱电极的电势差来随意调节。最值得注意的是，在kHz的范围内的隧穿速率是可实现的，甚至与100微米的数量级的陷阱大小。
2010-08-18 physics.atom-ph quant-ph
Sideband cooling of small ion Coulomb crystals in a Penning trap
我们最近在Penning阱中用解析边带冷却技术在电四极跃迁S $_{1/2} \leftrightarrow$ D $_{5/2}$上演示了单个$^{40}$ Ca $^+$离子到运动基态的激光冷却。在这里，我们报告这种技术的扩展到小离子库仑晶体制成的两个或三个$^{40}$钙$^+$离子。在Lamb-Dicke区域外，沿磁场轴的两离子串以及两离子和三离子平面晶体上实现了轴向运动的有效冷却。为了同时冷却两个轴向自由度，需要复杂的边带冷却序列。我们测量的平均激发冷却后的$\bar n_\text{COM}=0.30(4)$的质心模式和$\bar n_\text{B}=0.07(3)$的呼吸模式的两个离子串与相应的加热速率为11（2）s $^{-1}$和1（1）s $^{-1}$在陷阱频率为162 kHz。在陷阱频率为355 kHz时，双离子平面晶体轴向模的基态占有率大于75%，相应的加热速率为0.8（5）s $^{-1}$.
2017-05-23 quant-ph
Superalgebras for the Penning Trap
描述一个单一的费米子在潘宁陷阱的哈密顿量被证明是超对称的，在某些情况下。当回旋频率与轴向频率之比为3/2且粒子具有4/3或2/3的反常磁矩时，出现感兴趣的超对称性。在这些超对称点，光谱显示均匀间隔的交叉能级。相关的超代数是su（2| 1）和su（1| 1）。这个问题的相空间有一个OSP（2| 6）结构，并且包含所有的退化超代数。
2001-05-14 hep-ph quant-ph
Laser cooling in the Penning trap: an analytical model for cooling rates in the presence of an axializing field
储存在潘宁阱中的离子在量子信息处理领域可能有有用的应用。然而，存在与这些阱中离子的径向运动之一，即磁控管运动的激光冷却相关联的困难。与两个径向运动频率之和谐振的小射频四极电势的应用已被示出耦合这些运动并导致更有效的激光冷却。我们提出了一个分析模型，使我们能够确定激光冷却率存在这样一个“轴向”字段。发现该场导致两种运动的激光冷却速率的平均，从而提高了整体激光冷却效率。该模型还预测了由于轴向场的运动频率的变化，这些变化与最近实验中测得的结果定性一致。通过研究冷却离子对近共振激发场的相位响应，可以用实验方法确定激光冷却速率。利用本文建立的模型，我们研究了轴向场存在时的预期相位响应。
2007-09-24 quant-ph
The TRAPSENSOR Facility: an Open-Ring 7-Tesla Penning Trap for Laser-Based Precision Experiments
Penning阱电子探测技术提供了质谱法所要求的精确度和灵敏度，用于核物理和粒子物理的基础研究，但尚未被证明是通用的。这激发了Penning阱设备的构建，其旨在实现一种新的检测方法，包括通过来自$^{40}$ Ca $^+$中的4s $^2$ S $_{1/2}\rightarrow $ 4 p $^2$ P $_{1/2}$原子跃迁的荧光光子来测量强磁场中单电荷捕获离子的运动频率。该设施的关键要素是一个已建成并已充分表征的开环潘宁阱，该阱在上游与一个与放射性离子束设施所建阱相似的制备潘宁阱相连。运动频率测量存储在开环阱中的被困离子已进行了应用外部偶极和四极场共振与离子的本征运动，结合飞行时间识别。观察$^{40}$ Ca $^+$荧光光子的基础设施，包括7特斯拉所需的12束激光束，以及在高灵敏度CCD传感器中记录图像的2米长的系统，也已通过光学观察捕获的$^{40}$ Ca $^+$离子成功地进行了测试。这证明了该设施的能力，拟议的基于激光的质谱技术，并介绍了它作为一个独特的平台，以执行激光光谱实验，在不同的物理领域的影响。
2018-09-25 physics.ins-det quant-ph
Perpendicular laser cooling with a rotating wall potential in a Penning trap
研究了在潘宁离子阱中旋转壁面势对垂直激光冷却的影响。通过包括与旋转壁的能量交换，我们扩展了以前的多普勒激光冷却理论，并表明，低垂直温度更容易实现与旋转壁比没有。详细的数值研究确定了生产低温，稳定的二维晶体，重要的量子信息处理实验采用潘宁陷阱的最佳操作参数。
2016-05-29 physics.atom-ph physics.plasm-ph quant-ph
Coherent states approach to Penning trap
通过使用矩阵技术，它允许直接识别的阶梯运营商，潘宁陷阱相干态导出相应的湮没运营商的本征态。这些国家相比，通过位移算子获得的。计算了这些态的相关波函数和相关算子的平均值。结果表明，Penning陷阱相干态使海森堡测不准关系最小化。
2008-12-15 hep-th math-ph math.MP
On the potential for high-accuracy spectroscopy of $\mathrm{H}_2^+$ and $\overline{\mathrm{H}}_2^-$ in Penning traps for a test of CPT invariance
Institute for Nuclear Research and Nuclear Energy, Bulgarian Academy of Sciences（保加利亚科学院核研究与核能研究所）
通过比较H₂⁺和H₂⁻的振动跃迁频率，为检验CPT不变性提供新机会。本文分析了Myers提出的在Penning陷阱中进行激光光谱学的方案，探讨了其在连续 Stern-Gerlach 效应或量子逻辑光谱学陷阱中的实现，并估计了测试的精度。
2026-05-15 quant-ph
Individual qubit addressing of rotating ion crystals in a Penning trap
囚禁离子具有较长的相干时间和优良的门极特性，使其成为量子信息处理的有用平台。在RF保罗陷阱中缩放到更大数量的离子量子位需要很大的努力。用于捕获离子的另一种技术是经由潘宁阱，其中通过在强磁场存在下控制离子的旋转来形成数百个离子的2D晶体。然而，离子晶体的旋转使得单离子可寻址性成为一个重大挑战。我们提出了一个协议，利用变形镜引入AC斯塔克位移模式是静态的旋转框架的晶体。通过数值模拟，我们验证了该协议在数百个离子的晶体阵列中执行高保真单离子门的潜力。
2022-04-30 physics.atom-ph quant-ph
Second-Scale $^9\text{Be}^+$ Spin Coherence in a Compact Penning Trap
我们报告微波光谱的共同捕获$^9\text{Be}^+$和$^{40}\text{Ca}^+$在一个紧凑的永磁潘宁离子阱。该陷阱是由一个可重构阵列的钕铁硼环提供一个0.654 T的磁场，是附近的0.6774 T磁场不敏感的超精细跃迁$^9\text{Be}^+$。在这个超精细跃迁上进行Ramsey光谱，我们证明了核自旋相干性，对比度衰减时间>1 s。$^9\text{Be}^+$通过$^{40}\text{Ca}^+$的库仑晶体进行共振冷却，从而使$^9\text{Be}^+$照明最小化，从而减轻无功损耗。介绍了一种独特的$^{40}\text{Ca}^+$高磁场光学探测方案，在不使用729 nm倾斜激光的情况下实现了自旋态的读出。我们记录了一个分数陷阱磁场不稳定性低于20 ppb（<13 nT），在43秒的平均时间没有磁屏蔽，只有被动热隔离。我们讨论了这种紧凑的，可重构的潘宁陷阱的潜在应用。
2021-10-06 physics.atom-ph quant-ph
Theoretical basis for quantum simulation with a planar ionic crystal in a Penning trap using a triangular rotating wall
离子阱中的量子模拟的挑战之一是有效的自旋-自旋交换耦合在整个晶格上是不均匀的。这在潘宁陷阱实现中可能特别重要，其中在陷阱边缘处的椭圆边界的存在导致晶体中的位错。通过增加一个额外的非谐势以更好地控制离子间距，并增加一个三角形旋转壁势以减少位错的出现，可以实现更好的离子位置均匀性。在这项工作中，我们计算了轴向声子频率和自旋相关的光偶极力驱动的自旋-自旋相互作用，并讨论了更均匀的离子间距对Penning陷阱量子模拟器的自旋模拟性能的影响。事实上，我们发现自旋-自旋相互作用在很宽的参数范围内表现得更像幂律。
2015-08-11 cond-mat.quant-gas quant-ph
Programmable coherent site-selective spin control in rotating Penning-trap ion crystals
School of Physics, The University of Sydney（悉尼大学物理学院）；Department of Physics, Indian Institute of Technology Madras（马德拉斯理工学院物理系）；Center for Quantum Information, Communication and Computing, Indian Institute of Technology Madras（马德拉斯理工学院量子信息、通信与计算中心）；Sydney Nano Institute, The University of Sydney（悉尼大学悉尼纳米研究所）
通过同步光束偏转与晶体旋转，在旋转彭宁阱中实现大尺寸离子晶体的可编程位点选择性自旋控制，并演示了双斯基子自旋纹理、层选择性操作及双正交拉姆齐传感。
2026-07-13 quant-ph
139 GHz UV phase-locked Raman laser system for thermometry and sideband cooling of $^9$Be$^+$ ions in a Penning trap
我们演示了两个紫外激光源的相位锁定的基本红外激光调制的第四阶边带使用电光调制器和相位锁定的一个边带的第二个基本红外激光。随后的和频产生和二次谐波产生成功地将频率偏移转换到紫外域。在139 GHz的相位锁定确认通过受激拉曼跃迁测温的$^9$的$^+$离子限制在低温潘宁陷阱。该技术可用于单$^9$ Be $^+$离子的边带冷却以及Penning阱中的共振冷却方案和基于量子逻辑的测量。
2021-10-18 physics.atom-ph quant-ph
Resolved-sideband laser cooling in a Penning trap
本文报道了用激光冷却单个$^{40}\text{Ca}^+$离子到一维运动基态的实验。冷却在729 nm电四极$S_{1/2}\leftrightarrow D_{5/2}$跃迁的强结合极限下进行，通过耦合$D_{5/2}$和$P_{3/2}$能级的淬灭激光器加宽。我们发现最终的基态占据是$98\pm1\%$。我们用$\dot{\bar{n}}\approx 0.3\pm0.2\textrm{s}^{-1}$测量陷阱的加热速率，对于来自$150-400\textrm{kHz}$的陷阱频率，与大的离子电极距离一致。
2016-03-01 physics.atom-ph quant-ph
A robust method to reach the motional quantum regime of (anti-)protons in cryogenic multi-Penning traps
Physikalisch-Technische Bundesanstalt（德国联邦物理技术研究院）
本文提出了一种稳健的冷却方案，通过扫掠势阱频率实现从低温到运动量子态的高效冷却，应用于(反)质子的量子极限测试。
2026-02-26 quant-ph
Fabrication of a planar micro Penning trap and numerical investigations of versatile ion positioning protocols
我们描述了一个通用的平面潘宁陷阱结构，它允许动态修改捕获的结晶几乎任意。该陷阱由37个六边形电极，每个具有300米的外接圆直径，在金蓝宝石光刻技术制造。每个六边形都可以单独寻址，从而形成电势。这种设备的制造与洁净室的方法进行了演示。我们说明了一个详细的数值模拟的横向和垂直运输的设备的可变性，我们模拟捕获在赛道和artificial晶体pacerurations。该阱可用于离子或电子，作为量子光学和量子信息实验的通用容器。
2010-03-01 physics.atom-ph quant-ph
Resolved-sideband cooling of a single $^9$Be$^+$ ion in a Penning trap
本研究在潘宁阱中利用双光子受激拉曼过程实现单个$^9$Be$^+$离子的分辨边带冷却，达到平均声子数0.10(4)，为量子逻辑光谱学和精密测量奠定基础。
2023-11-12 physics.atom-ph quant-ph
Non-equilibrium Coupling of a Quartz Resonator to Ions for Penning-Trap Fast Resonant Detection
首次证明了室温下石英机电谐振器与7特斯拉潘宁阱中捕获离子之间的相干耦合。由耦合产生的信号保持以秒为数量级的积分时间。从进行的测量，我们证明，耦合允许检测减少回旋频率（$ν_+$）的时间低于10毫秒，并与传统的电子检测方案相比，具有更高的分辨率。在单次测量中已达到分辨率$ν_+/Δν_+=2.4\times10^{7}$。在本出版物中，我们提出了第一个结果，强调了石英谐振器作为快速非破坏性离子阱检测器的新功能，以及不同的方法来分析数据，并考虑精度，分辨率和灵敏度等方面。
2021-03-24 physics.ins-det quant-ph
High-Harmonicity Planar Penning Traps for Single-Electron Qubits
Indian Institute of Technology Delhi（德里印度理工学院）；Inter-University Accelerator Centre（大学间加速器中心）；GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung（德国重离子研究中心）
该研究针对量子信息处理中单电子量子比特的应用需求，通过解析处理有限电极间隙问题，优化了平面彭宁陷阱的几何结构与电极电压，以最小化非谐波性，相关结果与有限元模拟相符。
2026-08-19 physics.atom-ph quant-ph
Effect of defects on the phonons and the effective spin-spin interactions of an ultracold Penning trap quantum simulator
我们推广的正常模式的分析旋转离子库仑晶体中的潘宁陷阱，允许在系统中的不均匀性。我们的正式发展是完全一般的，但我们选择检查晶体的Be+离子与BeH+缺陷比较，与目前的实验努力。我们研究了经典的声子模式（横向和平面），我们确定了有效的自旋-自旋相互作用时，系统是由轴向自旋相关的光偶极力驱动。我们检查高达约15%缺陷的情况。我们发现，大多数属性并没有强烈的影响，由缺陷，表明存在少量的缺陷不会显着影响实验。
2013-09-10 cond-mat.quant-gas quant-ph
Gravitational effects on geonium and free electron $\mathrm{g}_s$-factor measurements in a Penning trap
我们提出了一个由潘宁陷阱，也被称为geonium，这是受重力影响的电子限制的理论分析。特别是，我们调查的电子动力学和电磁场的陷阱引力的影响。我们考虑一个均匀的引力场的特殊情况，这是由林德勒时空。在这个时空中，构造了具有反常磁矩的电子的哈密顿量。基于该哈密顿量和Rindler时空中Penning阱场的麦克斯韦方程组的精确解，我们导出了在相对论修正$1/\mathrm{c}^2$下Geonium的跃迁能.这些跃迁能被用来得到由L. S. Brown和G. Gabrielse [Rev. Mod. Phys. 58，233 1986]。
2019-09-23 gr-qc physics.atom-ph quant-ph
High-performance in-vacuum optical system for quantum optics experiments in a Penning-trap
本文设计并表征了一套用于 7 T Penning 阱的真空内光学系统，以探测单个钙离子及 Coulomb 晶体的 397 nm 荧光，实现衍射极限成像和微米级分辨。
2024-06-11 physics.ins-det quant-ph
Cryogenic Penning-Trap Apparatus for Precision Experiments with Sympathetically Cooled (anti)protons
目前用单个（反）质子来测试CPT对称性的精密实验进展很快，但由于需要将粒子冷却到亚热能而变得复杂。我们描述了一个低温潘宁陷阱设置为$^9$是$^+$离子的设计，允许耦合的单（反）质子的激光冷却的原子离子的交感冷却和量子逻辑光谱。我们报告捕获和激光冷却的云和单个$^9$的$^+$离子。我们讨论了一个微型陷阱的前景，允许耦合的单（反）质子的激光冷却$^9$是$^+$离子的同情激光冷却，以亚毫K温度毫秒的时间尺度。
2021-07-18 physics.atom-ph quant-ph
Sideband cooling of the radial modes of motion of a single ion in a Penning trap
多普勒和边带冷却是长期存在的技术，它们一起用于制备处于运动基态的被捕获原子离子。在本文中，我们研究如何将这些技术可以扩展到冷却的单个离子在潘宁阱的径向运动模式。我们用数值方法研究了在外加振荡电场以共振耦合径向模的情况下有效多普勒冷却的必要实验参数。模拟支持的实验数据为一个单一的$^{40}$钙$^+$离子多普勒冷却到$\sim$ 100声子在两种模式下的磁控管频率为52 kHz和修改后的回旋频率为677 kHz。对于这些频率，我们然后表明，平均声子数$0.35(5)$的修改后的回旋加速器和$1.7(2)$的磁控管运动后，68毫秒的边带冷却。
2019-07-04 physics.atom-ph quant-ph
Localized control of large ion crystals in a Penning trap using a spatial light modulator
National Institute of Standards and Technology（美国国家标准与技术研究院）；University of Colorado, Boulder（科罗拉多大学博尔德分校）
研究利用空间光调制器对彭宁阱中大离子晶体进行局部控制，通过施加可编程交流斯塔克位移图案实现，验证了该技术并为彭宁阱中单个离子寻址提供途径。
2026-07-13 physics.atom-ph quant-ph
High-fidelity quantum control using ion crystals in a Penning trap
我们讨论了使用二维$^{9}$是$^{+}$离子晶体的量子控制技术的实验测试。我们的主要量子位是124 GHz基态电子自旋翻转跃迁，我们使用微波驱动。离子晶体代表量子位的空间系综，但典型晶体中的不均匀性影响很小，因此我们将系综视为单个有效自旋。我们能够在一个简单的状态下初始化量子比特，并对系统进行投影测量。我们演示了量子位布洛赫矢量的完全控制，执行任意高保真旋转（$τ_π\sim$ 200 $μ$ s）。随机基准测试证明了$8\pm1\times10^{-4}$的每个门（Pauli随机化$π/2$和$π$脉冲对）的错误。拉姆齐干涉和自旋锁定测量是用来阐明系统中的量子比特相干性的限制，产生一个典型的自由感应衰减相干时间$T_{2}\sim$ 2毫秒，和一个限制$T_{1ρ}\sim$ 688毫秒。这些实验规格使离子晶体在潘宁陷阱的理想候选人的新实验中的量子控制。因此，我们简要介绍了最近的努力，旨在研究动态去耦脉冲序列的误差抑制能力，展示了扩展量子比特相干性和抑制相位误差的能力。最后，我们讨论了未来的实验探索途径，包括使用额外的核自旋翻转过渡有效的多量子位协议，和库仑晶体的潜力，形成一个有用的测试平台的研究大规模纠缠。
2009-06-02 quant-ph
Full Single-Quantum Control of Particles in Penning Traps for Symmetry Tests at the Quantum Limit
Leibniz Universität Hannover（汉诺威莱布尼茨大学）；TU Braunschweig（布伦瑞克工业大学）；Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf（杜塞尔多夫海因里希·海涅大学）；RIKEN（理化学研究所）；Physikalisch-Technische Bundesanstalt（德国联邦物理技术研究院）；Universidad de Cádiz（加的斯大学）
BASE合作组通过在Penning陷阱中实现全单量子控制，推动(反)质子g因子测量向量子极限发展，以测试CPT对称性并探索超出标准模型的物理。
2026-02-26 physics.atom-ph quant-ph
Electroweak Nuclear Properties from Single Molecular Ions in a Penning Trap
提出在彭宁阱中利用强磁场使分子离子宇称态近简并，通过弱相互作用混合放大宇称不守恒效应，实现单分子级电弱核性质探测，适用于稀有及不稳定核素。
2023-10-17 nucl-ex physics.atom-ph quant-ph
Image-current mediated sympathetic laser cooling of a single proton in a Penning trap down to 170 mK axial temperature
本研究实现了彭宁阱中单个质子经激光冷却铍离子协同冷却至170 mK轴向温度，较前纪录提升15倍，为奇异粒子高精度测量奠定基础。
2023-10-16 nucl-ex physics.atom-ph physics.ins-det
Wigner crystals of ions as quantum hard drives
规则晶格中的原子系统是实现量子模拟和信息处理中思想的有趣系统。聚焦激光冷却离子形成维格纳晶体中的潘宁陷阱，我们发现一个强大的和简单的方法来工程非平凡的2体相互作用足够的通用量子计算。然后，我们考虑扩展我们的方法快速生成的大集群状态，和非本地架构使用的非对称纠缠生成过程之间的Penning陷阱系统和完善的线性Paul陷阱设计。
2007-06-13 quant-ph
Broadening of the drumhead mode spectrum due to in-plane thermal fluctuations of two-dimensional trapped ion crystals in a Penning trap
储存在潘宁阱中的二维离子晶体是量子模拟和传感实验的领先平台。对于小振幅，这种晶体的面外运动可以通过称为鼓面模式的离散的正常模式集合来描述，其可以用于实现一系列量子信息协议。然而，多普勒冷却，甚至近基态冷却鼓面模式的晶体的实验观察揭示了一个未解决的鼓面模式谱。在这项工作中，我们建立了离子位置的面内热波动作为鼓面模式谱的加宽的主要贡献者。在这个过程中，我们演示了如何限制磁场导致非常规的面内正常模式，其平均势能和动能是不相等的。这个属性，反过来，有影响的采样程序所需的选择在分子动力学模拟的面内初始条件。对于NIST Penning陷阱的当前操作条件，我们的研究表明，在这个陷阱中产生的二维晶体经历$10$ mK量级的面内势能起伏。因此，我们的研究激发了设计改进技术来冷却面内自由度的需要。
2020-08-19 physics.atom-ph physics.plasm-ph quant-ph
Rapid cooling of the in-plane motion of two-dimensional ion crystals in a Penning trap to millikelvin temperatures
提出通过近共振耦合面内与面外运动，在不增加额外势或实验开销的情况下，将 Penning 阱二维离子晶体面内模式在 10 ms 内冷却至约 1 mK。
2024-03-01 physics.plasm-ph quant-ph
Modeling near ground-state cooling of two-dimensional ion crystals in a Penning trap using electromagnetically induced transparency
潘宁陷阱，具有控制数十到数百个离子的平面晶体的能力，是多功能的量子模拟器。横向于离子晶体平面的运动鼓面模式的热占据降低了量子模拟的质量。利用电磁感应透明的激光冷却（EIT冷却）作为一种快速将鼓面模初始化到接近基态占据的有效方法是有吸引力的。我们数值研究的效率EIT冷却平面离子晶体中的潘宁陷阱，占所产生的复杂性的陷阱的性质和从同时冷却的多个离子。我们表明，尽管面临挑战，鼓面模式（数百千赫）的大带宽可以迅速冷却到近基态职业在几百微秒。我们的预测的质量中心模式包括几十微秒的冷却时间常数和增强的冷却速率与离子的数量增加。NIST潘宁阱中EIT冷却的成功实验演示[E. Jordan，K. A. Gilmore，A. Shankar，A. Safavi-Naini，M. J. Holland和J. J. Bollinger，“近基态冷却的二维捕获离子晶体超过100个离子”，（2018），提交。验证我们的预测。
2018-09-18 cond-mat.quant-gas physics.atm-clus physics.atom-ph
Elementary laser-less quantum logic operations with (anti-)protons in Penning traps
静态磁场梯度叠加在潘宁阱的电磁捕获势上，可以用来实现无激光自旋运动耦合，从而允许在射频范围内实现基本量子逻辑运算。实际感兴趣的一个重要场景是应用于具有单个（反）质子的$g$因子测量，以测试基本电荷、宇称、时间反转（CPT）不变性，如在BASE合作中所追求的[Smorra等人，EUR. Phys. J. Spec. Top. 224，3055-3108（2015），Smorra等人，Nature 550，371-374（2017），Schneider等人，Science 358，1081-1084（2017）]。讨论了在叠加磁场梯度的潘宁阱中带电粒子的经典和量子行为。通过解析和数值计算，我们发现只要粒子初始化在运动基态，就可以在单个（反）质子的自旋和运动量子比特之间实现高保真的SWAP门.我们讨论了我们的研究结果在这个系统中实现量子逻辑光谱的影响。
2020-05-27 physics.atom-ph physics.ins-det quant-ph
Individual-Ion Addressing and Readout in a Penning Trap
本文在紧凑永磁体彭宁阱中实现了旋转平面晶体中 $^{40}$Ca$^+$ 离子的单离子寻址与并行读出，利用亚稳态 D$_{5/2}$ 编码和聚焦 AC Stark 光束完成寻址 $σ_z$ 操作，并分析了热扩展对保真度的限制及亚多普勒冷却的改进前景，完善了该平台的量子模拟操作集。
2024-04-02 physics.atom-ph quant-ph
Scalable arrays of micro-Penning traps for quantum computing and simulation
我们建议使用二维潘宁陷阱阵列作为一个可扩展的平台，量子模拟和量子计算与捕获的原子离子。该方法涉及将限定静电四极位置的微结构电极阵列放置在磁场中，其中单个离子被捕获在每个位置处并经由库仑相互作用耦合到相邻位置。我们解决了在这样的阵列中的离子运动的正常模式，并推导出一个广义的多离子稳定运动的不变性定理，即使在存在陷阱的缺陷。我们利用这些技术研究了在固定离子晶格中进行量子模拟和量子计算的可行性。在均匀的阵列，我们表明，足够密集的阵列是可以实现的，轴向，磁控管和回旋运动表现出离子间偶极耦合率显着高于预期的退相干。在外加激光场的情况下，可以实现可调范围的相互作用自旋哈密顿量。我们还展示了如何本地控制电位允许隔离的离子在一个固定的阵列中的少数，并可用于实现高保真度门。静态捕获场的使用意味着我们的方法不受系统尺寸增加时的功率要求的限制，从而消除了标准射频陷阱中存在的缩放的主要挑战。因此，这里提供的架构和方法似乎为捕获离子量子计算打开了一条通往容错规模设备的道路。
2020-04-02 physics.atom-ph quant-ph
Optimizing Doppler laser cooling protocols for quantum sensing with 3D ion crystals in a Penning trap
University of Colorado, Boulder（科罗拉多大学博尔德分校）；Sandia National Laboratories（桑迪亚国家实验室）；Indian Institute of Technology Madras（马德拉斯印度理工学院）；National Institute of Standards and Technology（美国国家标准与技术研究院）；University of California, San Diego（加州大学圣地亚哥分校）
本文提出一种高效数值框架，用于模拟多达10^5个离子的激光冷却，通过引入轴向成分优化椭球形3D晶体的冷却效果，实现垂直动能低于1mK，简化冷却束设置。
2026-05-15 physics.plasm-ph quant-ph
Quantum simulation of the integer factorization problem: Bell states in a Penning trap
整数$N$的因式分解的算术问题可以转化为量子器件的物理学，这一结果支持了波利亚和希尔伯特的猜想，以证明黎曼假设。该系统的能量与$N$的因子唯一相关，是有界哈密顿量的本征值。在这里，我们解决了量子条件，并表明，直方图的离散能量，由系统的频谱，应解释为在数论中的相对概率为一个素数是$N$的候选因子。这相当于一个量子筛，它被证明只需要$ o(\log \sqrt N)^3$能量测量来解决问题，恢复了Shor的复杂性结果。因此，结果可以看作是一个概率图，一对素数解决给定的分解问题。此外，我们表明，这种量子模拟器的一个可能的实施例对应于两个纠缠粒子在潘宁陷阱。建立模拟实验的可能性进行了详细研究。结果表明，因式分解数，许多数量级大于实验可用的量子计算机计算，是可以实现的，使用典型的参数在潘宁陷阱。
2018-02-12 cs.IT math.IT quant-ph
Dynamics of an unbalanced two-ion crystal in a Penning trap for application in optical mass spectrometry
本文研究了一种非平衡双离子晶体的动力学行为，该晶体由“目标”离子和“传感”离子组成，被限制在一个潘宁阱中。首先，讨论了低振幅区域。在这种情况下，包括离子之间的库仑排斥在内的整体电势可以被认为是谐波，并且轴向、磁控管和简化回旋模式被分成所谓的“拉伸”和“共同”模式，这是由两个离子组成的平衡晶体的众所周知的“呼吸”和“质心”运动的概括。通过使用光学检测测量晶体的频率模式和传感器离子本征频率，将有可能确定目标离子的自由回旋频率。描述了测量方案，并讨论了库仑相互作用的非谐性，因为这可能会引起大的系统效应。
2019-07-18 physics.atom-ph physics.ins-det quant-ph
