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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，
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。
带有里德堡原子的腔 QED
两级系统（量子比特）和量子谐振子在这一物理学中发挥着重要作用。量子比特是信息载体，而振荡器充当将量子比特连接在一起的存储器或量子总线。将量子比特与振荡器耦合是腔量子电动力学 (CQED) 和电路量子电动力学 (Circuit- QED) 的领域。在微波 CQED 中，量子比特是里德堡原子，振荡器是高 Q 腔的一种模式，而在电路 QED 中，约瑟夫森结充当人造原子，扮演量子比特的角色，振荡器是 LC 射频谐振器的一种模式。