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Cu2O 微腔中的非线性里德堡激子极化子
摘要 里德堡激子（凝聚态系统中里德堡原子的类似物）是具有大玻尔半径的高度激发的束缚电子空穴态。它们之间的相互作用以及激子与光的耦合可能导致强光学非线性，可用于传感和量子信息处理。在这里，我们通过里德堡阻塞现象以及在 Cu2O 填充微谐振器中形成极化的激子和光子的杂化实现了强有效光子 - 光子相互作用（类克尔光学非线性）。在脉冲共振激发下，由于光子-激子耦合随着激子密度的增加而减少，极化子共振频率被重新正化。理论分析表明，里德堡阻塞在实验观察到的极化子非线性系数缩放中起着重要作用，因为对于高达 n = 7 的主量子数，∝ n 4.4 ± 1.8。首次在极化子系统中研究如此高的主量子数对于实现高里德堡光学非线性至关重要，这为量子光学应用和固态系统中强关联光子（极化子）态的基础研究铺平了道路。
rydberg-atom基于卤代轴搜索的单光子检测
斧头是量子染色体动力学（QCD）中强电荷（CP）问题的引人注目的解决方案，也是天体物理学和宇宙学中动机良好的暗物质候选者[1-7]。尽管轴质量m a与自发对称性破坏f a的能量尺度相关，但QCD本身并不限制m a或f a [8]。来自天体物理学和宇宙学的观察限制了m a〜10 - 6 - 103μEV[9-13]。轴支和标准模型之间的耦合强度取决于轴质量。对于给定的m a，有一系列与QCD兼容的轴轴耦合Gγ。该区域通常由两个基准QCD轴模型跨越Kim-Shifman-Vainshtein- Zakharov（KSVZ）模型[14,15]和Dine-Fischler-Srednicki-Zhitnitsky（DFSZ）模型[14,15] [16,17]。轴突状颗粒（ALP）具有光子耦合在QCD预测的范围之外的光子耦合也可以作为暗物质，尽管它们无法解决强大的CP问题[5]。
持续的非高斯相关性Rydberg Atom阵列
高斯相关性出现在一大批从平衡中淬灭的多体量子系统中，如最近在耦合的一维超级流体的实验中所证明的[Schweigler等。，nat。物理。17，559（2021）]。在这里，我们提出了一种机制，通过该机制，rydberg原子阵列的初始状态可以在全局淬火后保留持续的非高斯相关性。该机制基于植根于系统基态对称性的有效动力学阻滞，从而防止了淬灭哈密顿量下的疗法动力学。我们提出了如何使用Rydberg Atom实验观察这种影响，并证明了其在几种类型的实验误差方面的韧性。由于受保护的非高斯远离平衡，这些长寿的非高斯州可能将实际应用作为量子记忆或稳定资源用于量子信息方案。
实验数字双胞胎：通过目标数据收集
本文报告了光量子位之间的量子 - 逻辑门实现的实验实现。该门的物理机制依赖于电磁诱导的透明度，而Rydberg在87 rb原子的超低集合中被困在中等辅助弓形谐振器中。在第一次，使用量子非线性系统实现的效率超过了线性光学量子计算中的最新效率。Qubits以各个光子自由度的极化程度实现。空间双轨设置将这些光子引导到谐振器或旁路导轨上，然后重组这两条路径。时间门协议由三个步骤组成。首先，作为rydberg激发，控制光子可逆地存储在原子集合中。在第二步中，在存储时间内从谐振器中反映目标光子。如果存在对照激发，Rydberg封锁会诱导条件π相移。在第三步中，检索控制光子。此门的平均效率为41。7（5）％和分组的过程实力为81（2）％。偏振式钟形状态的产生在78（3）％和82（2）％之间产生。显示了栅极向多个目标光子的延伸，从而产生了Greenberger-Horne-Zeilinger状态为3、4和5光子，并具有62个光子。3（4）％，54。6（1。4）％和54。8（5。3）％。
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。
用于……的腔耦合里德堡原子阵列平台
中性原子系统长期以来一直是复杂量子物理的试验台。最近，量子研究的焦点已从基础科学转向量子计算应用。尽管几种不同的硬件平台已在此方向的能力方面取得了长足进步，但每种平台在扩展系统规模方面都有各自的障碍：无论是物理上的量子比特数，还是时间上的退相干前的代码周期。具体而言，在中性原子系统中，缺乏以比原子退相干快得多的时间尺度无损读取原子状态的能力。通过将中性原子里德堡阵列的几何可重构性和设计的强相互作用与高精细度腔的强光耦合相结合，我们可以构建一种超越其他硬件系统许多限制的新量子架构。在本论文中，我们阐述了将里德堡原子阵列耦合到腔体的情况，讨论了原子物理与量子计算之间的联系，以及使光腔系统比其他当前量子计算机实现更具优势的基本物理原理。然后，我们描述了这种系统的设计、测试和实现。我们的系统同时适应里德堡激发、可重构光镊阵列、选择性原子态寻址和与光腔的强耦合。我们详细讨论了在超高真空中安装这种系统的风险和技术考虑，包括发现一种新的高反射率镜材料失效机制。最后，我们概述了未来的具体步骤，以展示我们系统中的原理验证表面码纠错，为使用中性原子进行容错量子计算铺平道路。
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。
使用里德堡原子图进行量子计算
近十年来，有两项突破性技术在里德堡量子计算研究中发挥了重要作用，影响了该领域目前取得的显著进展。第一项是里德堡阻塞效应[1-3]，它使得中性原子的纠缠成为全球原子量子研究中的日常工具；第二项是原子重排方法[4-6]，该方法利用一组可移动的光镊构建无缺陷的任意原子图，如图1所示。这里我们使用术语里德堡原子图，因为构建的原子阵列的可能几何形状不仅限于物理三维空间中的晶体结构，而更适合用数学图形来表示，数学图形是超几何空间中的顶点和边的集合。在这方面，一般形式的里德堡原子系统可以称为里德堡原子图（或简称里德堡图）。
利用里德堡原子阵列进行最大独立集的量子优化
实现实际相关的、计算困难问题的量子加速是量子信息科学的核心挑战。使用两个空间维度中多达 289 个量子比特的 Rydberg 原子阵列，我们通过实验研究了解决最大独立集问题的量子算法。我们使用与 Rydberg 阻塞相关的硬件高效编码，实现闭环优化来测试几种变分算法，然后将它们应用于系统地探索具有可编程连接的一类图。我们发现问题难度由解决方案的退化和局部最小值的数量控制，并且我们通过实验将量子算法的性能与经典模拟退火进行了对比。在最难的图上，我们观察到在深电路范围内寻找精确解的超线性量子加速，并分析了其起源。C
用于利用捕获离子或里德堡阵列进行量子计算的任意连通腔介导架构
我们提出了一种硬件架构和协议，用于连接光学腔内的许多局部量子处理器。该方案与捕获离子或里德堡阵列兼容，并通过在腔内进行单光子传输来分配纠缠，从而实现任意两个量子比特之间的传送门。即使对于中等质量的腔，Heralding 也能实现高保真度纠缠。对于由线性链中的捕获离子组成的处理器，具有实际参数的单个腔每隔几 μs 就能成功传输光子，将链间纠缠速率提高到现有方法的 2 个数量级以上，并消除了扩展捕获离子系统的主要瓶颈。对于一个现实场景，我们概述了如何在 200 μs 内实现 20 条离子链（总共包含 500 个量子比特）的任意对任意纠缠，保真度和速率仅受局部操作和离子读出的限制。对于由里德堡原子组成的处理器，我们的方法可以完全连接数千个中性原子。我们的架构所提供的连接性可使用多个重叠腔扩展到数万个量子比特，从而扩展嘈杂的中尺度量子时代算法和汉密尔顿模拟的能力，并实现更强大的高维纠错方案。