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利用捕获离子的亚稳态进行实验量子通道鉴别
非正交态的不可区分性是量子力学的标志之一，它既是障碍也是资源。过去几十年来，人们对量子态鉴别 [1-9] 及其应用 [10-12] 进行了大量的理论和实验研究。量子信道鉴别 [13] 是一个相关且内容更丰富的课题，它要复杂得多 [14]，许多信道可以明确区分，即使类似状态无法区分 [15,16]。这些理论思想为激动人心的大类信道实验探测打开了大门，包括广泛使用的相移键控 (PSK) 和幅移键控 (ASK) 信道，它们以载波信号的相位或幅度调制方式对数据进行经典编码。这些协议具有自然的量子类似物，其中使用半经典有限长度协议 [1,17] 无法无误地区分信道。与二进制信道区分相比，区分多个量子信道需要更大的希尔伯特空间和更复杂的量子门序列，而原子系统可以很好地满足这些需求。原子系统中的长相干时间[18 – 20]、高保真度单量子比特门[19,21]以及许多长寿命状态的自然存在[22]使它们对量子协议很有吸引力。更诱人的是，原子提供了高维亚稳态流形，用于在单个原子内编码量子位或多个量子位[22 – 29]，这对于区分多个信道很有用。此外，原子系统非常适合电磁传感和通信，一个例子是里德堡原子在电磁传感和通信中的巧妙应用。
用于中级的小型高精度量子处理器...
在没有错误的情况下，根据量子力学处理信息的机器原则上可以解决超出任何传统计算机计算能力的问题。实际上，可扩展的通用量子计算机必须将纠错和容错作为其操作不可或缺的一部分，而这对底层量子硬件的要求可能在未来几年内都无法实现 [1]。因此，在当前嘈杂的中等规模量子 (NISQ) 设备时代 [2]，该领域的大部分努力都集中在看似不那么雄心勃勃的挑战上。位居榜首的是模拟量子模拟器的开发，这里将其定义为无需纠错的设备，但在建模复杂量子系统等任务上仍有潜力超越传统计算机 [3,4]。最近的例子包括使用捕获离子 [5 – 7]、里德堡原子 [8,9] 和超导量子比特 [10,11] 来模拟大（> 50）自旋系统中的相变和其他现象。这大致是目前在传统计算机上无法进行数值建模的规模。量子模拟通常需要访问相互作用的多体系统的高度纠缠态。人们早就知道，这样的系统也倾向于支持量子混沌，因为它们的时间演化对扰动高度敏感[12-14]。这表明了与量子模拟相关的两个不同的复杂性概念，一个与量子态的性质有关，另一个与系统动力学的性质有关。纠缠态之所以复杂，是因为预测粒子间相关性所需的信息会随着系统规模的扩大而呈指数增长，而混沌动力学之所以复杂，是因为预测量子轨迹所需的信息会随着时间的推移呈指数增长[15]。两者都会增加整体的复杂性和脆弱性
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。
混合相空间中的慢量子热化和多体复兴
当系统的半经典相空间混合时，少体量子系统的弛豫在很大程度上取决于初始状态；即混沌运动区域与规则岛共存。近年来，人们付出了很多努力来理解强相互作用量子系统中的热化过程，这些系统通常缺乏明显的半经典极限。时间相关变分原理 (TDVP) 允许人们通过将幺正多体动力学投影到弱纠缠变分态流形上来系统地推导出有效的经典（非线性）动力系统。我们证明这种动力系统通常具有混合相空间。当 TDVP 误差较小时，混合相空间会在量子模型的精确动力学上留下痕迹。例如，当系统在属于稳定周期轨道或周围规则区域的状态初始化时，它会表现出持续的多体量子复兴。作为原理证明，我们确定了新型“量子多体疤痕”，即导致一维和二维相互作用的里德堡原子模型中长时间振荡的初始状态。有趣的是，导致最稳健复苏的初始状态通常是纠缠态。另一方面，即使 TDVP 误差很大，如在热化倾斜场伊辛模型中，在相空间的常规区域中初始化系统也会导致热化速度惊人地减慢。我们的工作确立了 TDVP 作为一种识别任意维度中具有异常动力学的相互作用量子系统的方法。此外，混合相空间经典变分方程允许人们在相互作用模型中找到缓慢热化的初始条件。我们的结果揭示了经典和量子混沌之间的联系，指出了经典的 Kolmogorov-Arnold-Moser 定理可能扩展到量子系统。
由非reciprocal光学力驱动的连续时空晶体状态
我们表明，通过光辐射压力通过非保守耦合，可以在线性振荡器的集合中产生连续的时间晶体状态。这种新机制全面地解释了用光照明的一系列纳米线中的时间晶体状态的观察结果[nat。物理。19，986（2023）]。与非线性同步方案根本不同，它与广泛的相互作用多体系统有关，包括化学，生物学，天气和纳米级物质领域。时间晶体 - 一种具有自发损坏的时间翻译对称性的物质状态，从理论上讲是十多年前的[1-4]。随后理解，自然禁止在封闭系统中破坏连续的时间翻译对称性[5]。然而，具有断裂的离散时间翻译对称性的时间晶体，其中外部周期力以下和谐频率自发振荡，已经在各种捕获的离子和原子，固态旋转和超导二极管系统中实现了实验[4]。打破连续时间翻译对称性的开放系统更加紧密地意识到原始建议的精神，并代表了一种新的物质状态。连续时间晶体是一个多体系统，其中连续的时间翻译对称性自发地分解为周期性运动，以响应于任意弱的扰动，这是通过一阶，超高的破坏相变（将其与经典振荡现象区分开来）。在少数kelvin温度下的半导体非线性电子核自旋系统的缓慢振荡动力学中看到了这种行为[6]；在室温下的雷德伯格气体强烈相互作用中[7]；并在光学腔中的光学泵送耗散性玻璃体冷凝物中[8]。在后者中，时间周期性的光发射和空间周期性的原子密度自发出现，因此系统构成了连续的时空晶体。
光学时钟量子比特阵列中的长寿命贝尔态
作为量子科学中的重要资源，量子纠缠可在计算、密码学和材料科学等领域实现广泛的应用。其中一个强大的应用领域是计量学，纠缠多粒子量子态 1 – 8 的特性可提供更高的灵敏度和更高带宽的传感器。将此类增强功能与最先进的时间和频率计量学 9 – 14 （即光学原子钟）相结合一直是量子计量领域的明确目标。构建量子增强光学时钟对大地测量学 15、16、引力波探测 17 – 19 以及探索超出标准模型的物理学 20 具有广泛的影响。存在多种创建计量上有用的纠缠的方法。在中性原子光晶格钟中，已经提出了许多使用腔量子电动力学、里德堡相互作用或碰撞相互作用的方法 21 – 26 — 事实上，最近，已经使用集体腔量子电动力学相互作用在光钟跃迁中产生了自旋压缩态 27 。在囚禁离子中，光学分离量子比特上的纠缠的提议和实现依赖于库仑晶体模式介导的自旋-自旋相互作用，允许高效地产生纠缠和格林伯格-霍恩-泽林格态，最多可产生 24 个离子光学量子比特 28 或空间分布的单粒子之间的光子量子网络
高电荷氙离子与金纳米层相互作用中的能量沉积和纳米结构的形成
研究了慢速高电荷氙离子的动能和中和能沉积对金纳米层表面纳米结构形成过程的影响。通过在晶体硅 Si(100) 基底上电子束蒸发金来制备厚度为 100 nm 的纳米层。样品在 Jan Kochanowski 大学（波兰凯尔采）的凯尔采 EBIS 设施中在高真空条件下进行辐照。辐照条件为恒定动能 280 keV 和不同的离子电荷态（Xe q +，q = 25、30、35、36 和 40），以及恒定电荷态 Xe 35 + 和不同的动能：280 keV、360 keV、420 keV 和 480 keV。离子通量为 10 10 离子/cm 2 的水平。在辐射之前和之后，使用原子力显微镜研究了纳米层表面。结果观察到了纳米层表面以陨石坑形式出现的明显变化。对陨石坑尺寸（表面直径和深度）的系统分析使我们能够确定沉积动能和中和能对获得的纳米结构尺寸的影响。基于离子里德堡态布居的量子双态矢量模型，在微阶梯模型中对结果进行了理论解释。固体内部电荷相关的离子-原子相互作用势用于计算核阻止本领。根据该模型，纳米结构的形成受表面前方离子中和过程和固体内部动能损失的控制。这两种过程在表面结构形成过程中的相互作用用临界速度来描述。利用所提出的理论模型计算了中和能、沉积动能和临界速度，并与实验结果进行了定性比较。结果与先前对单电离氙和结晶金表面的实验数据和分子动力学模拟结果一致（归一化后）。
在NISQ时代量子处理器上对AKLT状态的高保真实现 advnf：减少使用对抗性学习的有条件归一流流程中的模式崩溃 远程量子ising模型的有限温度临界行为 NISQ算法的矩阵元素的矩阵元素 在p s ... 下的独家J/ψ和ψ（2s）生产的测量 随机系列膨胀量子蒙特卡洛（Rydberg Arrays）
AKLT状态是各向同性量子Heisenberg Spin-1模型的基态。它表现出激发差距和指数衰减的相关函数，并在其边界处具有分数激发。到目前为止，仅通过捕获离子和光子系统实验实现了一维AKLT模型。在这项工作中，我们成功地准备了嘈杂的中间量子量子（NISQ）ERA量子设备上的AKLT状态。尤其是，我们在IBM量子处理器上开发了一种非确定性算法，其中AKLT状态制备所需的非单生操作员嵌入到单一操作员中，并为每对辅助旋转旋转1 /2的额外的Ancilla Qubit带有附加的Ancilla Qubit。这样的统一操作员有效地由由单量子和最近的邻居CX门组成的参数化电路表示。与Qiskit的常规操作员分解方法相结合，我们的方法导致了较浅的电路深度，仅邻近邻居的大门，而原始操作员的忠诚度超过99.99％。通过同时选择每个Ancilla Qubit，以使其属于旋转|↑>的子空间，可以通过从最初的单元状态以及量子计算机上的旋转量中的旋转量中的初始产品状态以及随后对所有其他物理量进行录制来系统地获得AKLT状态。我们展示了如何通过减轻读数错误的IBM量子专业人员进一步提高实施的准确性。
创建分子量子比特功能化表面阵列的模块化方法
量子物理和化学问题。 [1] 为此，世界各地的研究人员正致力于开发量子计算、量子模拟和量子传感。 [2] 这项技术的优势可能有助于解决一些影响深远的问题，如理解高温超导性、进一步实现处理器中晶体管的小型化以及预测新型药物的特性。 [3–5] 量子应用的基本单位是量子比特，一般来说，量子比特是一个具有两个或多个能级的系统，可以在一段有限的时间内进入相干叠加态，这段时间称为相干时间。 [6] 目前正在研究几种作为量子比特的系统，将它们的属性与特定的应用联系起来：用于量子通信的光子，[7] 用于量子计算的超导电路，[8,9] 和用于磁场量子传感的金刚石中的氮空位。 [10,11] 其他有趣的平台包括硅中的磷杂质、[12] 量子点、[13] 里德堡原子 [14] 和捕获离子。[15,16] 所有这些潜在的量子比特平台在作为独立单元工作时都表现出非凡的特性。然而，实现量子门需要将几个这样的单元耦合起来，而这具有挑战性。同样，由于缺乏能够在阵列中精确定位量子比特的制造工艺，它们的可扩展性也受到限制。[17] 必须满足这两个要求才能实现工作的量子装置，因此这是一项不简单的任务。分子自旋量子比特 (MSQ) 是一个很有前途的平台，可以应对这些挑战。[18–23] 分子是微观的量子物体，像原子一样，但其组成更灵活，具有在纳米级形成有序结构的巨大潜力。 [24,25] 由于其合成的多功能性，可以微调多个量子比特之间的相互作用 [26–28] 并修改配体壳以满足特定的实际需求，例如将量子比特转移到固体基底上或设备中。[4,29–32] 人们对 MSQ 的兴趣迅速增长，并在短时间内取得了有关化学设计与量子特性之间关系理解的显著成果。[33–41] 现在很明显，可以实现长的相干时间 [42–45] 并且可以设计多自旋能级系统，这要归功于量子门
量子力学
本脚本是圣保罗大学 (USP) 圣卡洛斯物理研究所 (IFSC) 开设的几门研究生课程的综合。这些课程包括量子力学 (SFI5774)、原子和分子物理学 (SFI5814)、量子力学 B (SFI5707)、光与物质的相互作用 (SFI5905) 和原子光学 (SFI5887)。当然，这些课程的主题是紧密相连的。本综合脚本的目的是强调主题之间的相互联系，并促进对它们之间关系的理解。在第一部分中，我们介绍了量子力学，它是本书其余部分的基础理论。在第二部分中，我们重点介绍原子的结构。在第三和第四部分中，我们研究光的性质、光与单个原子和原子集合的相互作用以及相互作用如何受到腔和表面的影响。最后，在第五部分中，我们介绍了物质波的光学。本课程面向物理学硕士和博士生。脚本是一个初步版本，会不断进行更正和修改。欢迎随时通知错误并提出改进建议。脚本包含练习，可从作者处获得答案。有关课程的信息和公告将在网站上发布：http://www.ifsc.usp.br/ strontium/ − > 教学 − > 学期 学生的评估将基于书面测试和学生选择的特别主题的研讨会。在研讨会上，学生将在 15 分钟内介绍所选主题。他还将以数字形式提交一份 4 页的科学论文。可能的主题有： - 观察两个离子的超辐射和亚辐射自发辐射（Exc. 21.2.4.9）， - 压缩态（Sec. 15.3）， - Jaynes-Cummings 模型（Sec. 15.4）， - 量子投影噪声（Sec. 16.3.2）， - 量子门（Sec. 22.3）， - 量子蒙特卡罗波函数模拟方法（Sec. 16.1.2）， - 量子芝诺效应（Sec. 16.3.1）， - 布洛赫方程：推导和解释（Sec. 14.4）， - 量子跳跃、其历史和观察（Sec. 16.1.2）， - 薛定谔的猫（Sec. 16.1.1）， - 爱因斯坦-波多尔斯基-罗森假设及其实验证伪（Sec. 22.1.1 ), - Elitzur 和 Vaidman 炸弹测试问题 (16.1.3 节 ), - 拓扑相和 Aharonov-Bohm 效应 (16.4 节 ), - 量子非拆除测量 (16.3.3 节 ), - 根据费米黄金法则计算光电效应 (Exc. 5.4.5.7 ), - 量子关联和 Young 和 Hanbury-Brown-Twiss 实验 (15.5.1 节 ), - Hartree-Fock 方法 (11.3.3 节 ), - 用高斯波包描述的自由粒子的时间演化, - WKB 近似 (5.3 节 ), - 里德堡原子 (9.4.4 节 ), - 氦原子 (11.2 节 ),