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使用遍历量子动力学对量子模拟器进行基准测试
我们提出并分析了一种样本效率高的协议，用于估计实验准备状态与理想目标状态之间的保真度，该协议适用于没有高级时空控制的多种模拟量子模拟器。我们的协议依赖于我们在本研究中发现的通用哈密顿动力学中出现的普遍涨落。它不需要对状态准备、量子演化或读出能力进行微调控制，同时实现接近最佳的样本复杂度：通过 ∼ 10 3 次测量获得百分比级精度，与系统大小无关。此外，随着系统规模的增加，我们的保真度估计精度呈指数级提高。我们在各种量子模拟器平台中用数字方式演示了我们的协议，包括量子气体显微镜、捕获离子和里德堡原子阵列。我们讨论了我们的方法在量子态和过程的多参数估计等任务中的应用。
测量改变的伊辛量子临界性
量子临界系统因其对扰动的固有敏感性而成为探索新测量诱导现象的有吸引力的平台。我们使用显式协议研究测量对典型 Ising 量子临界链的影响，其中关联的辅助粒子与临界链纠缠，然后进行投影测量。使用由大量数值模拟支持的微扰分析框架，我们证明测量可以定性地改变临界相关性，其方式取决于纠缠门的选择、辅助测量基础、测量结果和辅助相关性的性质。我们进一步表明，通过后选择高概率测量结果，或者在某些情况下，通过对位于不同对称扇区的测量结果分别平均可观测量，可以在具有 100 阶量子比特的实验中以令人惊讶的速度高效地实现测量改变的 Ising 临界性。我们的框架自然适应更奇特的量子临界点，并突出了在嘈杂的中尺度量子硬件和里德伯阵列中实现的机会。
MgO 粉末中正电子能级的共振位移
我们报告了在 MgO 烟粉的开放体积内，正电子原子中 1 3 S 1 → 2 3 PJ 和 2 3 PJ → n 3 D / n 3 S 跃迁频率变化的测量结果。观察到的间隔大于相应的真空激发，但令人惊讶的是，跃迁到里德堡态受到的影响较小，并且能量变化与最终状态的主量子数 n 无关。我们将这些变化归因于 Ps 原子和 MgO 表面之间的共振相互作用，通过光谱重叠的 MgO 紫外 (UV) 光致发光吸收带介导。由于许多适用于 Ps 约束的绝缘材料表现出类似的宽带紫外吸收特性，观察到的现象对于光学诊断和激光冷却方案具有重要意义，这些方案与绝缘腔中高密度 Ps 集合的研究有关，包括 Ps 玻色-爱因斯坦凝聚态的生产。
Ising 模型的动态量子关联...
摘要。伊辛模型及其描述的物理系统在生成用于量子计量和量子信息的纠缠态方面发挥着核心作用。特别是，超冷原子气体、捕获离子系统和里德堡原子实现了长程伊辛模型，即使在没有横向场的情况下，也会产生高度非经典动力学和长程量子关联。在本文的第一部分，我们提出了一个详细的理论框架，用于研究此类系统在时间 t = 0 时进入任意非纠缠非平衡态的动力学，从而大大扩展和统一了 Foss-Feig 等人 (2013 Phys. Rev. A 87 042101) 的工作。具体来说，我们推导出闭时间路径有序关联函数的精确表达式，并利用这些表达式研究实验相关的可观测量，例如布洛赫矢量和自旋压缩动力学。在第二部分中，这些相关函数随后用于推导存在
激光技术在量子信息科学中的应用
实验物理学的科学进步不可避免地依赖于基础技术的不断进步。激光技术可以实现受控的相干和耗散原子光相互作用，而微光学技术则可以实现标准光学无法实现的多功能光学系统。本论文报告了这两项技术的重要进展，目标应用范围从里德堡态介导的量子模拟和光镊阵列中单个原子的计算到高电荷离子的高分辨率光谱。报告了激光技术的广泛进展：通过引入机械可调透镜支架，外腔二极管激光系统的长期稳定性和可维护性得到显著改善。开发了基于类似透镜支架的锥形放大器模块。二极管激光系统由数字控制器补充，用于稳定激光频率和强度。控制器提供高达 1.25 MHz 的带宽和由商业 STEMlab 平台设定的噪声性能。此外，还开发了针对强度稳定和 Pound-Drever-Hall 频率稳定进行优化的散粒噪声受限光电探测器以及用于 MHz 范围拍音的光纤探测器。通过分析用于波长为 780 nm 的 85 Rb 激光冷却的激光系统的性能，证明了所提出技术的能力。参考激光系统稳定到由调制传输光谱提供的光谱参考。分析该光谱方案以发现高调制指数下的最佳操作。使用紧凑且经济高效的模块产生合适的信号。实现了一种基于光学锁相环的激光偏移频率稳定方案。来自参考激光系统的所有频率锁定均提供 60 kHz（FWHM）的 Lorentzian 线宽以及 10 天内 130 kHz 峰峰值的长期稳定性。基于声光调制器与数字控制器相结合的强度稳定允许在微秒时间尺度上进行实时强度控制，并辅以响应时间为 150 纳秒的采样保持功能。对激光系统的光谱特性提出了很高的要求，以实现量子态的相干激发。在本论文中，通过引入一种用于二极管激光器的新型电流调制技术来增强主动频率稳定的性能。实现了从 DC 到 100 MHz 的平坦响应和低于 90 ◦ 的相位滞后，最高可达 25 MHz，从而扩展了可用于激光频率稳定的带宽。将该技术与快速比例微分控制器相结合，实现了两个激光场，相对相位噪声为 42 mrad rms，用于驱动铷基态跃迁。通过双光子方案进行相干里德堡激发的激光系统通过从 960 nm 倍频提供 780 nm 和 480 nm 的光。从单模光纤获得的 480 nm 输出功率为 0.6 W。两个激光系统的频率都稳定在高精细度参考腔中，导致 960 nm 处的线宽为 1.02 kHz（FWHM）。数值模拟量化了有限线宽对里德堡拉比振荡相干性的影响。开发了一种类似于 480 nm 里德堡系统的激光系统，用于高电荷铋的光谱分析。先进的光学技术也是微光学镊子阵列的核心，它提供了前所未有的系统尺寸可扩展性。通过使用优化的透镜系统与自动评估程序相结合，演示了具有数千个点且阱腰小于 1 µm 的镊子阵列。使用增材制造工艺生产的微透镜阵列实现了类似的性能。微透镜设计针对制造工艺进行了优化。此外，还分析了由于抑制谐振光导致的偶极阱散射率，证明了使用锥形放大器系统生成偶极阱的可行性。
利用擦除量子比特进行量子传感
“擦除量子比特”中的主要噪声是擦除 — 一种可以检测到其发生和位置的错误。擦除量子比特有可能减少与容错相关的开销。迄今为止，对擦除量子比特的研究主要集中在量子计算和量子网络应用上。在这里，我们考虑擦除量子比特在量子传感和计量方面的适用性。我们从理论上表明，对于相同级别的噪声，与非擦除量子比特相比，擦除量子比特可以充当更精确的传感器或时钟。我们通过人工将擦除误差（以原子损失的形式）或失相误差注入差分光学晶格时钟比较来实验证明这一点，并观察到在相同注入误差率的情况下，擦除误差的精度有所提高。在具有重复测量周期的时钟中，擦除可以将稳定性提高 2 倍。擦除量子比特对传感的类似好处可以在其他量子平台（如里德堡原子和超导量子比特）中实现。
使用软核相互作用增强自旋压缩
我们提出了一种在可控原子、分子和光学系统中制备自旋压缩态的协议，特别适用于与里德堡相互作用兼容的新兴光学时钟平台。通过将短程软核势与外部驱动器相结合，我们可以将自然出现的 Ising 相互作用转换为 XX 自旋模型，同时打开多体间隙。间隙有助于将系统保持在可以产生计量学上有用的自旋压缩的状态集合流形内。我们检查了我们的协议对实验相关退相干的稳健性，并显示出比缺乏间隙保护的典型协议更优的性能。例如，在 14 × 14 系统中，我们观察到软核相互作用可以产生与全对全 Ising 模型相当的自旋压缩，即使存在相关的退相干，其压缩量与具有 1 / r 3 偶极相互作用的无退相干 XX 自旋模型相同，并且比具有 1 / r 6 相互作用的无退相干 XX 自旋模型高 5.8 dB 增益。
超表面透镜光镊中的单原子捕获
单个被捕获的中性原子阵列是量子模拟、计算和计量的一个新兴平台[1-3]。通过与捕获离子类似的从头控制，可以制备和纠缠单个原子[4-6]，并且越来越有望实现可扩展的量子计算[7-9]。然而，实用的量子计算需要在降低错误率和增加量子比特数方面取得实质性进展。中性原子阵列面临的一个突出挑战是开发可扩展的多功能光学元件，以实现超精细态和里德堡激发的选址操控，在受限环境中操作，并实现低散射和串扰。在离子阱实验中，长期以来在开发集成光学元件方面的努力已经提高了并行性和寻址能力[10-12]。中性原子需要类似的轨迹，并有许多独特的要求。例如，对单个中性原子的控制在很大程度上依赖于光势来捕获，无论是在晶格中还是在紧密聚焦的激光束阵列中，这被称为光镊。
粗粒度量子细胞自动机
可以将某些物理演化视为微观离散模型的突发有效结果。受经典粗粒化程序的启发，我们提供了一种遵循 Goldilocks 规则的粗粒化色盲量子细胞自动机的简单程序。该程序包括 (i) 将量子细胞自动机 (QCA) 在时空上分组为大小为 N 的细胞；(ii) 将细胞的状态投射到其边界上，并将其与精细动力学联系起来；(iii) 通过边界状态描述整体动力学，我们称之为信号；(iv) 为不同大小为 N 的细胞构建粗粒化动力学。这个简单的玩具模型的副产品是斯托克斯定律的一般离散模拟。此外，我们证明在时空极限中，自动机收敛到狄拉克自由哈密顿量。我们在这里介绍的 QCA 可以通过当今的量子平台实现，例如里德堡阵列、捕获离子和超导量子比特。我们希望我们的研究能够为更深入地理解这些分辨率有限的系统铺平道路。
![arxiv：2412.03654v2 [Quant-ph] 2024年12月19日](/simg/2\2360309a1f3df70ac676970a480d93d3ba61ac64.webp)
arxiv：2412.03654v2 [Quant-ph] 2024年12月19日
我们研究了定期驱动的量子系统中纠缠不对称性的动力学。使用定期驱动的XY链作为驱动的集成量子系统的模型，我们为纠缠不对称的动力学的行为提供了半分析结果，ΔS是驱动频率的函数。我们的分析确定了驱动的XY链表现出动态对称性恢复的特殊驱动频率，并在长时间的时间表上显示量子mpemba效应。我们在其浮标的哈密顿量中确定了出现的近似对称性，这对于这两种现象的实现起着至关重要的作用。我们通过对不可集成驱动的Rydberg原子链的数值计算来遵循这些结果，并获得类似的紧急对称诱导的对称性恢复和量子MPEMBA在此类系统中的细头状态中的效应。最后，我们提供了针对条带定期驱动的共形场理论（CFT）的良好不对称性的精确分析计算。根据驱动幅度和频率，这种驱动的CFT表现出两个截相的相位，即加热和非加热，它们被临界线隔开。我们的结果表明，对于带有时间t的周期性驱动的M循环，ΔS〜ln mt [ln（ln mt）]在加热阶段[在临界线上]用于通用CFT；相比之下，在非加热阶段，∆ s显示其初始值围绕MT的函数的幅度振幅较小。我们为此类驱动的CFT的行为提供了一个相图，该行为是驱动频率和振幅的函数。