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硅中腔增强单个人工原子
固体中的人造原子是量子网络、可扩展量子计算和传感的主要候选者，因为它们将长寿命自旋与移动光子量子比特结合在一起。最近，硅已经成为一种很有前途的主体材料，其中可以可控地制造具有长自旋相干时间并发射到电信波段的人造原子。该领域利用硅光子学的成熟度将人造原子嵌入到世界上最先进的微电子和光子学平台中。然而，目前的一个瓶颈是这些原子天生较弱的发射率，这可以通过耦合到光腔来解决。在这里，我们展示了在电信波长下腔增强的硅中单个人造原子（G 中心）。我们的结果表明它们的零声子线强度增强以及高纯度的单光子发射，而它们的寿命在统计上保持不变。我们提出可能存在两种不同类型的 G 中心，这对硅发射极的特性提供了新的见解。
将原子和激光变成量子计算机
在芝加哥大学的 Bernien 实验室，我们用单个原子构建量子计算机。量子计算听起来像是科幻小说中的东西，但自 20 世纪 90 年代末以来，小型量子计算机就以某种形式存在了。如今，量子计算机正以指数级的速度发展，世界各地的研究人员都在尝试新的想法来推进这项激动人心的技术。我们可能不应该指望很快就能有家用量子计算机，但量子计算的实用性已经发展到数十家初创公司，甚至多家大公司都在构建自己的量子计算机的地步。他们中的许多人甚至允许您租用他们的计算机来运行自己的量子程序！然而，由于这些系统的尺寸小、错误率高，量子计算仍然是一种正在开发的技术。因此，人们常说我们正处于嘈杂的中型量子 (NISQ) 时代。走出这个时代需要许多技术进步，我们的实验室正在积极致力于解决一些阻碍基于原子的量子计算系统的问题。
在时空中捕获原子和电子
几乎所有光 - 互动的基本原因是空间和时间上的原子运动。为了提供类似电影的动力学访问，我们将电子显微镜与AttoSond激光技术统一。以这种方式，我们将现代电子束的令人敬畏的空间分辨率与光线周期[1]提供的壮观时间分辨率相结合。选定的结果将报告在超材料内的电场[2-3]，爱因斯坦 - de-haas对原子维度的影响[4]，相变的反应路径[5]和自由电子Qubit态的形成[6]。通过颠覆性成像技术实现了许多科学和技术的突破，我们的4D电子显微镜可能在原子维度上发挥了轻度相互作用的作用。
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。
控制里德堡原子用于量子技术
2 里德伯原子 5 2.1 无场描述 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 21
使用里德堡原子进行精确的量子模拟
本论文研究了使用里德堡原子的量子模拟。量子模拟的理念是使用一个可控性良好的量子系统来模拟另一个量子系统。量子模拟旨在前瞻性地解决经典计算机无法有效处理的具有挑战性的模拟问题，例如探索高度纠缠的多体基态和动力学。我们专注于所谓的模拟量子模拟，这种模拟量子模拟直接实现要模拟的系统，并避免通用门方法的开销。可实现系统的类别取决于底层平台的特性。一般来说，量子模拟平台必须可靠且可控性良好。此外，与退相干时间相比，相互作用必须很快。满足这些要求的平台例如超导量子比特和捕获离子。另一种方法是在光镊中使用中性原子。可以通过将原子激发到里德堡态（即具有高主量子数的电子态）并利用里德堡原子之间的强偶极相互作用来使原子相互作用。过去十年的快速发展使得使用这种方法模拟任意二维和三维晶格上的各种自旋哈密顿量成为可能，即使在超出精确数值处理的范围内也是如此。本论文涵盖的研究为量子模拟的实验实现提供了理论支持，为这一进展做出了贡献。本论文的重点有两个方面。首先，我们讨论了里德堡相互作用势的计算及其对实验参数的依赖性。其次，我们利用我们对里德堡相互作用的见解，展示了如何将精确的里德堡原子量子模拟应用于研究各种量子自旋模型。具体来说，我们展示了如何研究不同的拓扑相。后者是与巴黎的 Antoine Browaeys 实验小组密切合作进行的。在一个附带项目中，我们与格拉斯哥的 Andrew Daley 小组和 Gregory Bentsen 合作提出了一项用里德堡原子实现快速扰乱自旋模型的提案。下面，我们概述了本论文的章节。
在频道驱动的冷原子中的多体量子混乱
在量子混沌系统中，光谱形式（SFF）定义为两级光谱相关函数的傅立叶变换，已知遵循随机矩阵理论（RMT），即“坡道”，其次是“坡道”，其次是“高原”。最近，与所谓的“ bump”相距的通用早期偏差被证明是在随机量子电路中作为多体量子系统的玩具模型存在的。我们证明了SFF中的“凹凸障碍 - 高原”行为，用于许多范式和频道驱动的1D冷原子模型：无旋转和Spin-1/2 Bose-Hubbard模型，以及与触点或二色相互作用的不可融合的Spin-1凝结物。我们发现，与晶格大小相比，多体时间的缩放量 - rmt的发作和凸起振幅的变化对原子数的变化更为敏感，而不管超级结构，对称性类别，或者选择驱动方案的选择如何。此外，与1D光学晶格中相互作用的玻色子相比，在旋转气体中，原子数中的缩放和凸起幅度的增加的速度明显慢，这表明了位置的作用。我们获得了SFF的通用缩放函数，该功能暗示了量子混乱的冷原子系统中凸起政权的幂律行为，并提出了一种干涉测量方案。
使用里德堡原子的量子场论模拟
合作目标 量子计算机有望超越传统计算机的容量，并彻底改变计算的多个方面，尤其是量子系统的模拟。我们开发了使用量子计算机研究强相互作用粒子在碰撞中的演化、引力系统的量子行为以及时空出现的新方法，这些方面超出了传统计算的范围。我们的目标是设计与这些问题相关的通用量子计算机的构建模块，并开发与系统规模合理扩展的算法。
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