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
Quantum measuring processes for trapped ultracold bosonic gases
在研究超冷原子在光晶格中的行为时通常采用的标准实验技术包括从原子样品在陷阱释放后的吸收图像中提取原子密度分布。量子力学的这一过程是由广义测量（POVM）描述的;在吸收图像中发现的干涉图样表明了一种基于固定相位、相干态的广义测量。我们表明，这导致一个平均原子密度，它不同于通常采用的，作为在多体状态的原子密度算符的期望值。
2008-11-06 cond-mat.other quant-ph
Measuring Correlation and Entanglement between Molecular Orbitals on a Trapped-Ion Quantum Computer
本研究利用离子阱量子计算机计算冯·诺依曼熵，量化强关联分子轨道间的相关性与纠缠，并通过超选择定则和噪声抑制技术实现高精度测量，发现单轨道纠缠仅在存在相反自旋开壳层组态时出现。
2025-08-06 quant-ph
Controlling and measuring quantum transport of heat in trapped-ion crystals
测量通过纳米级系统的热流造成了巨大的实际困难，因为没有热量的“安培计”。我们建议克服这个问题，通过实现热传输链的捕获离子。将链边缘激光冷却至不同温度会引起局部振动（振子）的电流。我们将展示如何有效地控制和测量这种电流，包括波动，耦合振动子的内部离子状态。这表明离子晶体为研究量子输运提供了合适的平台，例如，通过量子线和量子点的热模拟。值得注意的是，离子晶体可以测量玻色子电流的难以捉摸的大波动和傅立叶定律的开始。这些结果是支持一个现实的实施与特定的离子和系统参数的数值模拟。
2013-07-23 cond-mat.mes-hall quant-ph
Distilling angular momentum nonclassical states in trapped ions
在量子非破坏性测量的精神，我们表明，利用合适的振动耦合和重复测量的原子布居的一个约束离子，它是可能的提取质心振动状态与明确定义的平方角动量，或者，角动量投影薛定谔猫态。
2004-05-14 quant-ph
Measuring full counting statistics in a trapped-ion quantum simulator
Institute for Quantum Optics and Quantum Information, Austrian Academy of Sciences（奥地利科学院量子光学与量子信息研究所）；University of Innsbruck, Institute for Experimental Physics（因斯布鲁克大学实验物理研究所）；International Centre for Theoretical Physics (ICTP)（国际理论物理中心）
本研究在囚禁离子量子模拟器中，借助经典阴影工具包后处理随机基矢测量结果，实现了子系统横向与纵向磁化强度的概率分布函数和全计数统计的测量，可高效获取扩展量子系统目标子系统任意算符的相关涨落信息。
2025-10-19 cond-mat.stat-mech quant-ph
Motional state analysis of a trapped ion by ultra-narrowband composite pulses
本文提出利用超窄带复合脉冲扫描蓝边带跃迁，实现对囚禁离子运动态的无先验测量，适用于Lamb-Dicke区内外，并演示了单离子实验验证。
2024-02-15 quant-ph
Strong coupling of the cyclotron motion of surface electrons on liquid helium to a microwave cavity
强耦合制度中观察到的回旋运动耦合到一个法布里-珀罗腔谐振器中的电磁模式的二维电子系统。耦合运动的本征频率的拉比分裂被观察到在腔反射谱和交流电流的电子，后者探测通过测量它们的辐射热光响应。尽管在多粒子系统中的拉比分裂的类似观测已被描述为量子力学效应，我们表明，所观察到的分裂可以完全解释的模型的基础上的经典电动力学。
2016-07-01 cond-mat.mes-hall cond-mat.str-el quant-ph
Measuring bipartite spin correlations of lattice-trapped dipolar atoms
本文提出基于超晶格的二分测量技术，在三维光学晶格的自旋-3铬原子中观测偶极驱动的跨子系统自旋反关联，并结合多种理论方法揭示相互作用各向异性与高负温量子热化。
2024-04-16 cond-mat.quant-gas quant-ph
Quantum parameter estimation of nonlinear coupling in trilinear Hamiltonian with trapped ions
本文提出了一种有效的测量线性离子晶体中集体轴向呼吸模和径向摇摆模之间由库仑斥力引起的非线性耦合的方法。量子传感技术是基于激光诱导的振动模式之一和内部离子的自旋状态之间的耦合，其允许通过测量声子概率分布或直接观察离子自旋状态的Ramsey型振荡来估计非线性耦合。我表明，由于存在非线性声子耦合的离子自旋态和轴向呼吸模式之间的非共振相互作用导致自旋相关的径向摇摆模式的声子压缩。因此，非线性耦合可以通过测量运动压缩态的布居数分布来估计。此外，我表明，非共振之间的相互作用的自旋和径向摇摆模式创建一个自旋相关的分束器操作之间的两个振动模式。因此，可以通过检测离子自旋布居来进行参数估计。最后，通过在两个集体模之间引入一个纠缠态，证明了测量不确定度的精度可以达到海森堡极限。
2021-12-23 quant-ph
Determination of entangled quantum states of a trapped atom
提出了一种测量囚禁原子的纠缠振动量子态的方法。它是基于系统的非线性动力学，通过共振驱动弱电子跃迁出现。所提出的技术允许直接采样的Wigner函数矩阵，显示所有已知的信息的原子的运动和电子的自由度的量子相关性。它为检验有关相互作用现象的量子理论的基本预言开辟了新的可能性。
1997-05-15 quant-ph
One-Electron Quantum Cyclotron as a Milli-eV Dark-Photon Detector
本文提出利用束缚单电子作为高Q值谐振器探测毫电子伏特暗光子暗物质，并通过7.4天无背景原理验证实验在148 GHz处将限制强度提高了约75倍。
2025-08-21 astro-ph.CO hep-ex hep-ph
Measuring out-of-time-order correlations and multiple quantum spectra in a trapped ion quantum magnet
离子和超冷原子的可控阵列可以模拟复杂的多体现象，并可能为现代科学中未解决的问题提供见解。为此，需要用于量化量子相关性和相干性的建立的实验可行的协议，因为执行全状态断层扫描并不与粒子的数量成比例。在这里，我们开发和实验证明这样一个协议，它使用时间反转的多体动力学来测量的时间顺序关联函数（OTOC）在远程伊辛自旋量子模拟器与超过100个离子在潘宁陷阱。通过测量一个家庭的OTOC作为一个可调参数的函数，我们获得细粒度的信息编码在多个量子相干性光谱的系统的状态，提取的量子态纯度，并证明了高达8体相关性的建设。该协议的未来应用可以使多体局域化，量子相变的研究，量子和引力系统之间的全息对偶的测试。
2017-06-12 cond-mat.quant-gas quant-ph
Micromotion compensation of trapped ions by qubit transition and direct scanning of dc voltages
本文提出一种利用激光驱动量子比特跃迁结合直流电压扫描来测量和抑制囚禁离子过量微运动的方法，通过贝塞尔展开分析跃迁速率推导补偿电压，为量子计算中的微运动补偿提供了补充途径。
2023-12-02 physics.atom-ph quant-ph
Fidelity decay in trapped Bose-Einstein condensates
利用量子保真度（Loschlaughecho）的概念研究了玻色-爱因斯坦凝聚体的量子相干性。冷凝物被限制在一个细长的非谐势阱中，并受到一个小的随机势的作用，例如由激光散斑产生的势。数值实验表明，量子保真度保持恒定，直到一个临界时间，之后它突然下降，在一个单一的陷阱振荡周期。临界时间依赖于凝聚原子的数目和微扰的振幅。这种行为可以通过测量两种在稍微不同的势中演化的凝聚体的干涉条纹来观察。
2008-01-29 quant-ph
BEC "level" for measuring small forces
我们提出了一种装置，它包括一个被困的两个组件相分离的玻色-爱因斯坦凝聚体测量小的力量和地图弱势能景观。该设备的分辨率和测量精度可以动态设置，允许在多个尺度下进行测量。
2007-11-26 cond-mat.other quant-ph
Highly Excited Electron Cyclotron for QCD Axion and Dark-Photon Detection
Northwestern University（西北大学）；Harvard University（哈佛大学）；Stanford Institute for Theoretical Physics, Department of Physics, Stanford University（斯坦福大学物理系理论物理研究所）；Kavli Institute for Particle Astrophysics & Cosmology, Department of Physics, Stanford University（斯坦福大学物理系卡弗里粒子天体物理学与宇宙学研究所）；Department of Physics and Astronomy, University of Delaware（特拉华大学物理与天文系）
利用高激发回旋态电子探测meV量级轴子和暗光子，通过优化实验参数将平均检测时间缩短至微秒级，实现对QCD轴子参数空间的高灵敏度探测。
2026-05-14 astro-ph.CO hep-ex hep-ph
Radium ion: A possible candidate for measuring atomic parity violation
本文讨论了单阱激光冷却镭离子作为测量宇称破坏引起的频移的可能候选离子。尽管所使用的技术与Fortson [1]提出的技术相似，但镭有其自身的优点和缺点。与钡离子相比，镭离子最吸引人的部分是它的质量，这伴随着不稳定性的复杂性以及这里讨论的其他问题
2009-11-14 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
Scattering length determination from trapped pairs of atoms
描述了一种通过光谱学估算被囚禁原子对的有效散射长度的方法。该方法是利用简谐势阱中两个原子的碰撞相互作用使原子的能级发生移动的现象。位移量取决于相互作用的强度（即散射长度）。通过结合陷阱态能级的光谱和有效散射长度的合适模型，可以推断出对后者的估计。提出了两种测量陷阱谱的实用方法，并举例说明。分析了该方案的精度，给出了测量精度要求。
2005-05-13 physics.atom-ph quant-ph
Noise-Free Measurement of Harmonic Oscillators with Instantaneous Interactions
本文提出了一种通过Jaynes-Cummings型的瞬时探针-系统选择性相互作用测量谐振子量子态的方法。我们证明了该方案是强大的一般退相干机制，允许测量快速衰减系统中的弱耦合制度的可能性。这种方法可以应用于不同的设置：囚禁离子的运动状态，腔/电路QED中的微波场，甚至腔内光场。
2007-01-08 quant-ph
Zitterbewegung of relativistic electrons in a magnetic field and its simulation by trapped ions
本文用单电子3+1和2+1 Dirac方程计算了相对论电子在真空中外加磁场时的运动。首先，在操作员水平上进行计算，并且获得包含被识别为回旋运动的带内频率分量以及被识别为抖动运动（Zitterbewegung，ZB）的带间频率分量的电子轨迹的精确分析结果。其次，我们用含时海森堡算符来计算高斯波包下电子位置和速度的平均值。它示出的磁场的存在和由此产生的量子化的能谱上的电子Zitterbewegung有显着的效果：它引入带内频率分量的运动，影响所有的频率，并使运动平稳（不衰减的时间）的情况下的2+1狄拉克方程。最后，模拟的2+1狄拉克方程和由此产生的电子ZB在存在一个磁场的建议和说明采用捕获离子和激光激发。使用Gerritsma及其同事最近实验中获得的模拟参数，我们表明模拟磁场对ZB的影响是相当大的，并且可以肯定地观察到。
2010-12-30 cond-mat.mes-hall hep-ph quant-ph
Quantum Noise Limited Phased Arrays for Single-Electron Cyclotron Radiation Emission Spectroscopy
本文针对单电子回旋辐射发射光谱学（CRES），提出了向内看量子噪声限制微波相控阵接收器的设计与优化框架，以解决大体积下高分辨率中微子质量测量中的低信噪比问题。
2024-01-06 hep-ex physics.ins-det quant-ph
Quantum information scrambling in a trapped-ion quantum simulator with tunable range interactions
在各态历经的多体量子系统中，局域编码的量子信息在时间演化的过程中变得不可接近于局域测量。这种“混乱”的概念目前引起了强烈的研究兴趣，需要深入了解多体动力学，如混沌和热化过程。在这里，我们提出了第一个实验演示的量子信息扰乱10量子比特的陷阱离子量子模拟器代表一个可调的远程相互作用的自旋系统，通过估计出的时间有序的扰动（OTOC）通过随机测量。我们还分析了退相干在我们的系统中的作用，通过比较我们的测量数值模拟和测量雷尼纠缠熵。
2020-08-31 cond-mat.dis-nn cond-mat.quant-gas quant-ph
Cryogenic Trapped-Ion System for Large Scale Quantum Simulation
本文介绍了一个用于自旋模型大规模量子模拟的低温离子捕获系统。我们的设备是基于一个分段刀片离子阱封闭在4 K低温恒温器，这使我们能够定期捕获超过100个$^{171}$ Yb $^+$离子在线性配置数小时，由于低背景气体压力从差分低温泵。我们的特点是低温真空使用捕获离子晶体作为压力计，测量非弹性和弹性碰撞率与分子背景气体。我们证明了近等距的离子间距链高达44个离子使用非谐轴向电位。这种大的线性离子链的可靠的生产和寿命的提高将使量子模拟的自旋模型，是棘手的经典计算机建模。
2018-02-09 physics.atom-ph quant-ph
Two-Mode Bosonic State Tomography with Single-Shot Joint-Parity Measurement of a Trapped Ion
Seoul National University（首尔大学）；Automation and Systems Research Institute, Seoul National University（首尔大学自动化与系统研究所）；Inter-university Semiconductor Research Center, Seoul National University（首尔大学跨校半导体研究中心）；Institute of Computer Technology, Seoul National University（首尔大学计算机技术研究所）；Institute of Applied Physics, Seoul National University（首尔大学应用物理研究所）；NextQuantum, Seoul National University（首尔大学 NextQuantum）
利用单次联合奇偶性测量技术，对囚禁离子的多模态玻色态进行量子态重构，并实现误差检测与缓解。
2025-12-05 physics.atom-ph 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
Measurement of dipole matrix elements with a single trapped ion
基于量子信息技术，我们提出了一种直接测量原子偶极跃迁矩阵元的新方法。该方案包括测量色散和吸收非共振光离子相互作用，适用于许多原子物种。我们确定了与Ca II H线有关的偶极矩阵元，即$^{40}$ Ca $^+$的4 $^2$ S $_{1/2} \leftrightarrow $ 4 $^2$ P $_{1/2}$跃迁，我们发现其值为2.8928（43）ea $_0$。此外，该方法使我们能够推导出的4 $^2$ P $_{1/2}$态的寿命为6.904（26）ns，这是从最近的理论计算的预测，并解决了长期以来的计算值和实验结果之间的差异。
2015-10-09 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
Trapped-Ion Quantum Simulation of Electron Transfer Models with Tunable Dissipation
本文利用多组分囚禁离子晶体实验模拟分子电子转移模型，独立调控供体-受体能隙、电子/振动耦合及浴弛豫，并实时测量不同绝热性和弛豫条件下的转移速率，为分子电子学和光捕获系统研究提供了测试平台。
2025-01-03 cond-mat.quant-gas physics.atom-ph physics.chem-ph
A single-atom 3D sub-attonewton force sensor
所有的物理相互作用都是由力介导的。因此，超灵敏力测量是研究磁、原子、量子和表面现象的基础物理的重要工具。激光冷却囚禁原子离子是一种可控的量子系统，是精密计量的标准平台。它们的低质量、强库仑相互作用和容易检测的荧光信号使得被捕获的离子有利于进行高灵敏度的力测量。在这里，我们展示了一个三维亚牛顿灵敏度力传感器的基础上的超分辨率成像的荧光从一个单一的激光冷却$^{174}$ Yb $^+$离子在保罗陷阱。该力通过测量纳米精度的净离子位移来检测，并且不依赖于机械振荡。观察到的灵敏度分别为372 $\pm$ 9 $_\mbox{stat}$、347 $\pm$ 12 $_\mbox{sys}\pm$ 14 $_\mbox{stat}$和808 $\pm$ 29 $_\mbox{sys}\pm$ 42 $_\mbox{stat}$ zN/ $\sqrt{\mbox{Hz}}$，对应于量子极限的24 x、87 x和21 x。我们通过测量离子上95 zN的轻压力独立验证了该设备的准确性，这是任何基于光学的力传感器中的重要系统效应。该技术可以应用于感测来自共捕获的生物分子或纳米颗粒的在捕获器外部或内部的DC或低频力。
2017-03-20 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Observation of superconductivity and surface noise using a single trapped ion as a field probe
测量和理解来自块状材料和表面的电场噪声对于物理学的许多领域都是重要的。在这项工作中，我们介绍了一种方法来检测现场不同来源的电场噪声使用一个单一的捕获离子作为传感器。我们证明了探测电场噪声小到$S_E = 5.2(11)\times 10^{-16}\,\text{V}^2\text{m}^{-2}\text{Hz}^{-1}$，最低的噪声水平观察到一个被困的离子，以我们的知识。我们的装置采用了一个可控的噪声源，利用高温超导体。这个元素允许我们，首先，基准和验证我们的探头的灵敏度。第二，非侵入性地探测超导体的整体性质，首次观察到离子的超导转变。对于低于转变的温度，我们使用我们的设置来评估不同的表面噪声过程。测得的噪声显示在频域中的交叉制度，这不能用现有的表面噪声模型来解释。我们的研究结果为表面科学中的新模型开辟了前景，并为实验测试铺平了道路。
2019-09-03 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.supr-con physics.atom-ph
