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量子对自旋系统和被困原子的最佳控制
量子技术正在从实验室前进到商业世界。但是，如果没有量子系统的精确控制，就无法建立从科学发现到革命技术的这一道路。量子最佳控制描述了一种技术系列，该科学家族通过系统地塑造应用于系统的控制场来改善量子操作。优化可以选择量子硬件的定制控制策略，以实现其全部潜力。在本论文中，我们将最佳控制应用于自旋系统，即钻石和戊季苯掺杂的萘的氮呈中心，以及被困的原子，特别是Rydberg Atoms和Ultracold原子冷凝物。genally，一个具有清晰目标的良好模型系统对应于通过开环优化接近定义明确的控制问题，即使用模型。但是，当未知的实验或环境因素具有很强的影响时，控制问题的复杂性就会增加。一旦任何可行的模型与现实，闭环分歧，即基于反馈，控制解决方案。从量子最佳控制方法的集合中，我们专注于穿着的切碎的随机基础算法与无梯度搜索相结合。此配对使我们能够应用带宽限制并限制优化参数的数量，从而简化了闭环应用程序。我们介绍了几种技术和修改，例如一种新的基础方法，可以使用“ RedCrab”软件包使用E FFI CIENT闭环控制。因此，我们在DI FF平台上为以下非常不同的目标进行了优化：灵敏度，超极化，数字挤压和纠缠状态准备。所有四个目标直接或间接改善感应方法。增强浅氮 - 视口中心的敏感性为改善基于钻石的扫描探针磁力计提供了机会。诸如萘晶体之类的材料的过度极化有望实现更精确的癌细胞成像。原子干涉法用于检测重力场的最小变化。我们探索的数字水平状态可以进一步提高该灵敏度。最后，较大的纠缠状态是超过经典灵敏度极限的关键。我们通过优化创建了一个破纪录的20量纠缠状态。最终，这些结果表明了量子最佳控制如何互连并增加平台量子技术的兴起。
非平衡超冷原子的正交干涉测量...
我们开发了一种干涉技术，用于对光学晶格中非平衡超冷玻色子的场正交算子进行时间分辨测量。该技术利用磁性原子的内部状态结构来创建两个具有不同自旋状态和晶格位置的原子子系统。费什巴赫共振会关闭一个自旋子系统中的原子间相互作用，使其成为一个特征明确的参考状态，而另一个子系统中的原子则会在可变的保持时间内经历非平衡动力学。通过第二次光束分裂操作干涉子系统，通过检测相对自旋布居，可以对相互作用的原子进行时间分辨的正交测量。该技术可以为各种哈密顿量和晶格几何形状（例如立方、蜂窝、超晶格）提供正交测量，包括具有隧穿、使用人工规范场的自旋轨道耦合和高频带效应的系统。通过分析隧穿可忽略的深晶格的特殊情况，我们获得了正交可观测量及其涨落的时间演化。作为第二个应用，我们表明干涉仪可用于测量原子间相互作用强度，超海森堡标度为 ¯ n − 3 / 2（平均每个晶格点的原子数），标准量子极限标度为 M − 1 / 2（晶格点数）。在我们的分析中，我们要求 M ≫ 1，并且对于实际系统，¯ n 很小，因此总原子数 N = ¯ nM 的缩放低于海森堡极限；尽管如此，在此系统中应该可以进行基于相互作用的量子计量学的缩放行为测试。
混合光子电路中人造原子的大规模整合
开发量子计算机和远程量子网络的核心挑战在于在许多可控的量子位上的纠缠分布1。钻石中的颜色中心已成为领先的固态“人造原子” Qubits 2,3，实现了按需远程纠缠4，对超过10多个Ancillae Qubits的连贯控制，并具有长时间的连贯性时间5和内存增强的量子通信6。关键的下一步是将大量人造原子与光子体系结构相结合，以实现大规模量子信息处理系统。迄今为止，这些努力因量子不均匀性，低设备产量和复杂的设备要求所困扰。在这里，我们在光子积分电路（PIC）上引入了“量子微芯片”的高收益异质整合 - 含有高度相干色中心的钻石波导阵列。我们使用此过程来实现128个通道缺陷阵列的葡萄球菌和硅离面彩色中心。光致发光光谱显示出长期稳定且狭窄的平均光学线宽为54 MHz（146 MHz），用于锗胶囊（硅 - 胶囊）发射器，接近32 MHz（93 MHz）的终身限制线宽（93 MHz）。我们表明，可以通过在没有线宽降低的情况下进行超过50 GHz的整合调整，可以在原位补偿各个颜色中心光学转换的不均匀性。能够将大量几乎无法区分和可调的人造原子组装成相稳定的图片的能力标志着迈向多重量子repeaters 7,8和通用量子量子处理器9-12的关键步骤。
具有超导人造巨原子的波导量子电动力学
量子电动力学中光与物质相互作用的模型通常采用偶极近似 1,2，其中与原子相互作用的电磁模式的波长相比，原子被视为点状物体。然而，当原子尺寸与模式波长之比增加时，偶极近似不再成立，原子被称为“巨原子” 2,3 。到目前为止，巨原子领域固态器件的实验研究仅限于耦合到短波长表面声波的超导量子比特 4–10 ，只探测单一频率下的原子特性。在这里，我们使用一种替代架构，通过将小原子在多个但分隔良好的离散位置耦合到波导来实现巨原子。该系统能够实现可调原子-波导耦合，具有较大的开关比 3 ，并且耦合谱可通过器件设计进行工程设计。我们还展示了多个巨型原子之间的无退相干相互作用，这些相互作用由波导中的准连续模式谱介导，这是使用小原子无法实现的效应 11 。这些特性允许此架构中的量子比特在原位在受保护和发射配置之间切换，同时保留量子比特-量子比特相互作用，为高保真量子模拟和非经典巡回光子生成开辟了可能性 12,13 。
具有超导人造巨原子的波导量子电动力学
光与物质相互作用的模型通常采用偶极子近似 [1,2]，在该近似中，原子与与之相互作用的电磁模式的波长相比，被视为点状物体。然而，当原子尺寸与模式波长之比增加时，偶极子近似不再成立，原子被称为“巨原子” [2,3]。到目前为止，对巨原子领域固态器件的实验研究仅限于与短波长表面声波耦合的超导量子比特 [4-10]，仅探测单一频率下的原子特性。在这里，我们采用了一种替代架构，通过将小原子与多个但相隔良好、离散的位置的波导耦合来实现巨原子。我们对巨原子的实现使得可调的原子-波导耦合成为可能，该耦合具有大的导通比，并且可以通过器件设计来控制耦合谱 [3]。我们还展示了多个巨原子之间的无退相干相互作用，这种相互作用由波导中模式的准连续谱介导，这是小原子无法实现的效应 [11]。这些特性使该架构中的量子比特能够在保护配置和发射配置之间原位切换，同时保留量子比特之间的相互作用，为高保真量子模拟和非经典巡回光子生成开辟了新的可能性 [12, 13]。原子直接耦合到波导的器件可以通过波导量子电动力学 (wQED) 很好地描述。超导电路为实现和探索 wQED 物理提供了一个理想的平台，因为它可以实现
探索太空中超冷原子的极限 - SCARAB Bates
在 MAIUS 探空火箭任务中 [ 1 ] 成功产生和研究了原子玻色-爱因斯坦凝聚态，以及在国际空间站 (ISS) 上持续运行的冷原子实验室 (CAL) 用户设施 [ 2 ] 表明，可以在自由落体实验装置中进行超冷原子物理研究。这些实验利用了真空室内自由演化的超冷原子与真空室本身之间不存在差异重力加速度的情况。也就是说，在没有任何故意施加的力的情况下，量子气体仍然惯性地限制在实验装置的观测体积内。在这些装置内进行的实验充分利用了微重力的特性，例如，可以长时间观测自由膨胀的玻色-爱因斯坦凝聚态气体，通过原子光学操控将这些气体的膨胀能量最小化到皮开尔文能量范围 [ 3 , 4 ]。其他实验则利用微重力为超冷原子施加新的捕获几何形状，即通过射频修整磁捕获势产生的球壳（气泡）势，否则这些原子会因重力下垂而严重扭曲 [ 5 ]。已经设想了一个针对微重力下超冷原子和分子气体的综合研究议程，这一愿景正在指导 CAL 及其潜在升级的开发，以及 NASA 和德国航天局 (DLR) 的玻色-爱因斯坦凝聚态和冷原子实验室 (BECCAL) 联合任务的开发 [ 6 ]。如其他地方所讨论的 [7]，自由落体超冷原子实验装置中的无背景电位环境开辟了几个引人注目的研究方向。这些方向包括开发具有增强询问时间的原子干涉仪并利用惯性将物质波限制在物理对象附近的能力；研究相干原子光学，利用长时间追踪近单色物质波演化的能力；研究新型捕获几何中的标量玻色-爱因斯坦凝聚体；研究大型三维体积和均匀条件下的旋量玻色-爱因斯坦凝聚体和其他量子气体混合物；研究大范围内强相互作用的原子和分子量子气体
具有里德堡原子的高保真控制相位量子门
• 任意单量子比特旋转门和相位门，加上某些双量子比特门（如CZ或CNOT）门，组成通用门集。• 单量子比特门需要精确控制原子与电磁波的相互作用；双量子比特门需要精确控制原子与原子之间的相互作用
具有单独控制的里德堡原子的多体物理学
任意体物理学研究相互作用的量子粒子集合的行为。这是一个广泛的领域，几乎涵盖了所有凝聚态物理学，也包括核物理学和高能物理学。尽管近几十年来取得了巨大的成功，但许多实验观察到的现象仍然没有完全令人满意的解释。从支配粒子间相互作用的微观定律推导出宏观特性的困难在于希尔伯特空间的大小随粒子数量呈指数级增长。实际上，最著名的从头算方法可以计算少于 50 个粒子的演化。要研究涉及大量粒子的相关问题（毕竟，即使 1 毫克的普通物质也已经包含 10 18 个原子！），必须依靠近似值，而解决多体问题的技巧很大程度上依赖于掌握近似值。然而，使用近似值并不总是可行的，而且可能很难评估它们的有效性范围。理查德·费曼 1 提出了一种前进的方法，即在实验室中建立一个合成量子系统，并实现一个感兴趣的模型，该模型目前尚无其他解决方法。该模型可能是对真实材料的近似描述，也可能是纯粹抽象的模型。在这种情况下，它的实现导致构建一个人工多体系统，而该系统本身也成为研究对象。这种方法的一个吸引人的特点是能够在其他方法无法达到的范围内改变模型参数，从而提供一种更好地理解它们各自影响的方法。例如，如果人们对原子间相互作用对特定系统相的作用感兴趣，那么合成系统就会变得有趣，因为它们允许以真实材料中通常不可能的方式改变其强度。费曼引入的方法通常被称为量子模拟 2 , 3 ，但它可以更广泛地被视为用合成系统探索多体物理：就像化学家设计表现出有趣特性（如磁性、超导性）的新材料一样，物理学家组装人工系统并研究其特性，希望观察到新现象。长期以来，这个想法一直停留在理论上，因为对量子对象的实验控制还不够先进。过去 20 年来，情况发生了根本性变化，
具有反射边界的时空中圆形加速原子的量子相干性
在开放量子系统范式中，研究了具有反射边界的时空中真空涨落无质量标量场与循环加速原子耦合时的量子相干性动力学，推导出了系统演化的主方程。结果表明，在没有边界的情况下，真空涨落和向心加速度总是会导致量子相干性降低。然而，有了边界，标量场的量子涨落发生了改变，使得量子相干性比没有边界的情况有所增强。特别地，当原子非常靠近边界时，虽然原子仍然与环境相互作用，但它表现得就像一个封闭系统，量子相干性可以免受真空涨落标量场的影响。
从分子和晶体中原子的量子理论分析锕系化合物的电荷密度
摘要：锕系化合物（分子复合物和材料）中化学键的性质在许多方面仍然难以捉摸。彻底分析它们的电子电荷分布对于阐明整个系列的键合趋势和氧化状态具有决定性作用。然而，从实验和理论的角度来看，准确测定和稳健分析锕系化合物的电荷密度都带来了一些挑战。最近，在锕系材料电荷密度的实验重建和拓扑分析方面取得了重大进展 [Gianopoulos et al. IUCrJ，2019，6，895]。在这里，我们讨论了理论方面的互补进展，这些进展使得可以通过块体量子力学模拟准确确定锕系材料的电荷密度。特别是，将实施 Bader 分子和晶体中原子量子理论 (QTAIMAC) 的 T OPOND 软件扩展到 f 和 g 型基函数，从而可以在相同基础上对块体和真空中的镧系元素和锕系元素进行有效研究。研究了四苯基磷酸铀六氟化物共晶体 [PPh 4 + ][UF 6 − ] 的化学键合，其实验电荷密度可供比较。量化并讨论了晶体堆积对电荷密度和化学键的影响。这里介绍的方法可以重现实验电荷密度拉普拉斯算子的拓扑结构的所有细微特征。如此显著的定性和定量一致性代表了对锕系化合物电荷密度分析的实验和计算方法的强烈相互验证。