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使用耦合量子点实现基于硬件的可调量子随机数生成
摘要 — 随机数在游戏和赌博、模拟、传统和量子密码学以及随机计算等非传统计算方案中是一种宝贵的商品。我们建议使用耦合量子点对上单个移动电荷的位置测量来生成随机位。量子力学通过 Born 规则提供测量结果的真正随机性。可以使用对同一双量子点 (DQD) 系统进行一系列重复测量来生成随机位串。只需调整局部状态之间的失谐，就可以根据需要消除或调整任何偏向“0”测量值或“1”测量值的偏差。设备可调性提供了多功能性，使该量子随机数生成器 (QRNG) 能够支持不需要偏差或需要可调偏差的应用。我们讨论了该 QRNG 的金属点实现以及分子实现。基本量子力学原理用于研究随机位串生成的功耗和时间考虑因素。DQD 具有较小的尺寸，在金属实现中，可用于需要低温操作的情况（如量子计算的情况）。对于室温应用，可以使用分子 DQD。
Edinger, P.、Phong Van Nguyen, C.、Takabayashi, A Y.、Antony, C.、Talli, G. 等人 (2022) 具有低功耗 MEMS 调谐的分插硅环谐振器
硅光子学正迅速扩展到传感和微波光子学等新应用领域 [1]。此类应用需要可调谐滤波器，而可使用波导环形谐振器 (RR) 高效构建。此类无限脉冲响应 (IIR) 滤波器也可采用可配置的循环波导网格灵活实现，但由于光学长度较长且采用多个分立元件，因此品质因数 (Q) 和自由光谱范围 (FSR) 较低。此外，由于采用了热光驱动，当前代工平台中可用的有源元件功耗在 mW 级。基于 MEMS 的元件对于可编程电路而言颇具吸引力，因为它们可以在短光学长度内高效调整相位或功率，功耗低于 µW [2]。MEMS 执行器已用于可调 RR [3-5]，但尚未出现可控制相位和两个耦合器的紧凑型分插环。 Chu 和 Hane 展示了一种光学长度极短、谐振调谐范围大的 RR，但 Q 值限制为 1.6 × 103 [ 3 ]。Park 等人报道了完全可重构环，但 FSR 低于 0.2 nm [ 5 ]。这里，我们展示了一个分插环谐振器，其 FSR 为 4 nm，并且对相位（失谐）和两个定向耦合器均进行了模拟控制。该设备是在 IMEC 的 iSiPP50G 代工平台上实现的，经过了一些后处理步骤。
振荡电场对单分子离子偶极矩测量的影响
目前，人们致力于实现分子的精密光谱和量子态控制。与原子相比，分子的种类要多得多，它们具有更丰富的结构，可以提供完全不同的功能，并更适合某些任务，例如，对各种基础物理测试的灵敏度更高[1-4]。高内部状态相干性和跨频率量子信息转换的潜力也使分子在量子信息处理方面具有吸引力[5-9]。尽管近年来取得了令人瞩目的进展，但分子的量子态制备、检测和控制仍然比原子更困难[10-14]。量子逻辑光谱（QLS）[15]在研究带电粒子，特别是分子离子方面显示出巨大的前景和多功能性。它依靠原子“逻辑”离子种类对联合平移运动进行协同冷却和状态读出，并能够实现难以控制的带电粒子（“光谱”离子）的量子态制备、操纵和光谱分析[16-18]。在我们的实验中，所有针对分子离子的激光器都会驱动远失谐的受激双光子拉曼跃迁，而这些跃迁不依赖于分子的特定能级结构。这一点，加上对平移自由度的协同冷却和量子逻辑读出也可以在对分子结构细节要求不高的情况下进行，使得 QLS 可用于多种离子种类。为了探索分子的新应用，以高分辨率测量跃迁频率和其他特性，并解释在这种前所未有的精度水平下变得相关的微小系统效应也至关重要。特别是，自旋和原子核的相对运动增加了
时间分辨 Hanbury Brown–Twiss 干涉测量法...
双光子频率梳 (BFC) 是用于大规模和高维量子信息和网络系统的有前途的量子源。在这种情况下，单个频率箱的光谱纯度对于实现量子网络协议（如隐形传态和纠缠交换）至关重要。测量组成 BFC 的未预告信号或闲置光子的时间自相关函数是表征其光谱纯度并进而验证双光子状态对网络协议的实用性的关键工具。然而，通过实验可获得的测量 BFC 相关函数的精度通常受到探测器抖动的严重限制。结果，相关函数中的精细时间特征（不仅在量子信息中具有实用价值，而且在量子光学研究中也具有根本意义）丢失了。我们提出了一种通过电光相位调制来规避这一挑战的方案，通过实验证明了集成 40.5 GHz Si 3 N 4 微环产生的 BFC 的时间分辨 Hanbury Brown-Twiss 特性，最高可达 3 × 3 维二四分体希尔伯特空间。通过使电光驱动频率从梳状的自由光谱范围略微失谐，我们的方法利用 Vernier 原理来放大时间特征，否则这些特征会被探测器抖动平均掉。我们在连续波和脉冲泵浦模式下展示了我们的方法，发现与理论高度一致。我们的方法不仅揭示了贡献频率箱的集体统计数据，还揭示了它们的时间形状 - 标准全积分自相关测量中丢失的特征。
为高增益惯性聚变能 (IFE) 靶设计提供先进的烧蚀材料
激光直接驱动 (LDD) 是惯性聚变能 (IFE) 设计最合适的方案之一，因为它可以比间接驱动 [1] 至少多两倍的激光能量耦合到内爆壳层。一旦通过宽带激光技术或激光波长失谐缓解横光束能量转移 (CBET)，LDD 中激光与目标的耦合可以进一步增强约 2 倍。LDD 依赖于低 Z 烧蚀材料/等离子体（如聚苯乙烯、铍、碳等）对激光能量的吸收。日冕等离子体中吸收的激光能量主要通过电子热传导传输到烧蚀前沿。该过程的效率被称为内爆的“水效率”，即激光吸收和火箭效率的乘积。内爆舱的动能越大，点火裕度越大，IFE 目标的增益越高。三件事对于通过 LDD 方案实现 IFE 的成功至关重要：(1)。使大部分激光能量被日冕中的烧蚀等离子体吸收；（2）获得最佳的水效率，将尽可能多的激光能量与内爆胶囊的动能耦合，从而提供高烧蚀压力以加速壳体；（3）提高烧蚀速度以稳定瑞利-泰勒不稳定性增长，从而提高胶囊的完整性。有几种研究方向可以实现上述目标。宽带激光等先进激光技术可以解决吸收增加和印记减少等问题 [2]。一种补充途径是目标解决方案，即通过设计和制造先进的烧蚀材料来提供上述成功实现高增益 IFE 目标设计的关键因素。目标解决方案可以解决印记减少和 RT 等问题
Dicke 模型的多离子模拟器的验证...
简介。— 具有可控耦合自旋和玻色子自由度 (d.o.f.) 的量子多体系统正在成为实现具有易于调整参数的量子模拟器的强大平台。例如，这些包括腔 QED (CQED) 系统 [1 – 8] 和捕获离子阵列 [9,10] 。大多数情况下，这些系统在远失谐状态下运行，其中玻色子在多体动力学中不发挥积极作用，而是用于介导粒子之间的自旋-自旋耦合。在这种有效的自旋模型领域取得了巨大进展，包括有和没有外部横向场的长程伊辛模型的实现，以及对丰富物理的探索，如纠缠动力学[1,2,11 – 17]、多体局域化[18]、时间晶体[19]和动态相变[20,21]。另一方面，除了少数粒子实现[22 – 30]外，玻色子自由度积极参与多体动力学的领域仍然很大程度上未被探索。在这项工作中，我们专注于这一领域，并报告了在自组装二维（2D）离子晶体中实现 Dicke 模型的模拟器，该模型是腔 QED 中的标志性模型，描述了（大）自旋和振荡器的耦合。Dicke 模型受到广泛关注，因为它展现了丰富的物理特性，包括量子相变和非遍历行为 [31] 。最近，由于密切相关的 Tavis-Cummings 模型在电路 QED [32] 中的实现以及在冷玻色子原子的 CQED 实验中的实现 [6 – 8,33,34] ，该模型重新引起了人们的关注。在
用广义簇相关展开法对纺丝浴中氮空位中心进行纵向弛豫
对于高纯度样品，NV 中心拥有很长的相干时间，通过动态解耦可以进一步延长到接近 1 秒[3,4]。它可由微波场进行相干控制，并且对外界电场和磁场高度敏感。这些优越的特性使 NV 中心成为量子信息处理 [5-10]、超衍射极限成像 [11] 以及电场和磁场 [12-14]、温度 [15]、应力 [16]、生物结构 [17] 和化学反应 [18] 的量子传感的有希望的候选材料。此外，NV 中心可以与其他类型的量子系统耦合，例如碳纳米管 [19]、通量量子比特 [20] 和压磁超晶格 [21]，可以构建有前途的混合量子器件 [22,23]。此类有吸引力的应用需要充分了解其退相干行为，包括横向和纵向弛豫[24-26]，以及广泛的物理参数，如温度、磁场、杂质类型和浓度。在用于多自旋浴动力学的量子多体理论中[27-30]，例如密度矩阵团簇展开[31-33]、对关联近似[34-36]和链接团簇展开[37]，由作者之一 WY 发展的团簇关联展开（CCE）[38-40]已成功用于描述在大失谐区域中中心自旋耦合到多自旋浴的纯失相过程[41]。利用CCE方法，理论上预测了量子自旋池中NV中心的异常退相干效应[42]，并通过实验验证了该现象[43]。有趣的是，NV中心的退相干曾被认为是实现量子计算的障碍[44,45]，但现在它已被用于探测遥远的核自旋二聚体[46]，并提出利用弱地磁场进行导航[40]。类似地，最近有研究表明，可以探索诸如NV中心之类的量子系统来获取玻色子池的信息[47]。
高磁场下捕获离子多量子比特门的自发辐射比较
潘宁阱已用于对数百个离子进行量子模拟和传感，并提供了一种扩大捕获离子量子平台的有希望的途径，因为它能够在二维和三维晶体中捕获和控制数百或数千个离子。在潘宁阱和更常见的射频保罗阱中，激光通常用于驱动多量子比特纠缠操作。这些操作中退相干的主要来源是非共振自发辐射。虽然许多捕获离子量子计算机或模拟器使用时钟量子比特，但其他系统（尤其是具有高磁场的系统，如潘宁阱）依赖于塞曼量子比特，这需要对这种退相干进行更复杂的计算。因此，我们从理论上研究了自发辐射对在高磁场中使用捕获离子基态塞曼量子比特执行的量子门的影响。具体来说，我们考虑了两种类型的门——光移位（ ˆ σ zi ˆ σ zj ）门和 Mølmer-Sørensen（ ˆ σ xi ˆ σ xj ）门——它们的激光束近似垂直于磁场（量化轴），并比较了每种门中的退相干误差。在每种门类型中，我们还比较了与驱动门所用的激光束的失谐、偏振和所需强度有关的不同工作点。我们表明，这两种门在高磁场下的最佳工作条件下都能具有相似的性能，并研究了各种工作点的实验可行性。通过检查每个门的磁场依赖性，我们证明，当 P 态精细结构分裂与塞曼分裂相比较大时，Mølmer-Sørensen 门的理论性能明显优于光移门。此外，对于光移门，我们对高场下可实现的保真度与最先进的双量子比特离子阱量子门的保真度进行了近似比较。我们表明，就自发辐射而言，我们当前配置可实现的保真度比最好的低场门大约高一个数量级，但我们也讨论了几种替代配置，其潜在错误率与最先进的离子阱门相当。
实现多模量子光学的通用方法
连续变量 (CV) 类型的多模量子光学是许多量子应用的核心，包括量子通信 [1、2]、量子计量 [3] 以及通过团簇态 [5-7] 进行的量子计算 [4]。处理多模光学系统的核心步骤是识别所谓的超模 [8-10]。这些是原始模式的相干叠加，使描述系统动力学的方程对角化，并允许将多模 CV 纠缠态重写为独立压缩态的集合 [11]。超模知识对于优化对状态的非经典信息的检测[8,9,12]、在光频率梳[13-15]或多模空间系统[16]中生成和利用 CV 团簇态以及设计复杂的多模量子态[17,18]都是必需的。在实验中，由于超模在统计上是独立的，因此可以用单个零差探测器测量，从而大大减少实验开销[15]。由于其用途广泛，因此一种允许检索超模的通用策略对于多模量子光学及其应用至关重要。本理论工作的目的是提供这样一种强大而通用的工具。更具体地说，多模光量子态通常是通过二次哈密顿量描述的非线性相互作用产生的[2]。对角化系统方程的变换必须是辛变换，即遵守交换规则。标准的辛对角化方法，如 Block-Messiah 分解 (BMD) [19]，适用于单程相互作用 [20-22]，但不适用于基于腔的系统，因为在基于腔的系统中使用它们需要对所涉及模式的线性色散和非线性相互作用做出先验假设 [10, 23]。这种限制使传统的辛方法不适用于处理广泛的相关实验情况，包括利用三阶非线性相互作用的共振系统中的多模特征。例如，硅和氮化硅等集成量子光子学的重要平台就是这种情况 [24, 25]。在本文中，我们提供了一种广义策略，它扩展了标准辛方法，并允许在没有任何假设或限制的情况下检索任何二次哈密顿量的超模结构。我们在此考虑一个通用的阈值以下谐振系统，该系统可以呈现线性和非线性色散效应。我们的方法适用于多种场景。这些包括低维系统，例如失谐设备中的单模或双模压缩[ 26 , 27 ]或光机械腔中的单模或双模压缩[ 28 ]，以及高度多模状态，例如通过硅光子学集成系统中的四波混频产生的状态[ 24 ]。最终，我们注意到，这里为共振系统开发的工具同样可以用于单程配置中的空间传播分析[16, 22]。