摘要 相干激子的长距离快速传输对于高速激子电路和量子计算应用的开发具有重要意义。然而,由于材料中原生状态下的激子传输存在较大的非均匀展宽和失相效应,因此大多数相干激子仅在某些低维半导体与腔耦合时才能观察到。在这里,通过将相干激子限制在二维量子极限,我们首次在原子级厚度的二维 (2D) 有机半导体中观察到分子聚集引起的相干态间激子的“超传输”,测得的高有效激子扩散系数在室温下约为 346.9 cm 2 /s。这个值比其他有机分子聚集体和低维无机材料的值高出一个到几个数量级。单层并五苯样品是一种非常干净的二维量子系统(厚度约 1.2 纳米),具有高结晶性(J 型聚集)和最小的界面态,在未与任何光学腔耦合的情况下,表现出来自 Frenkel 激子的超辐射发射,这通过温度相关的光致发光 (PL) 发射、高度增强的辐射衰减率、显著缩小的 PL 峰宽和强方向性平面内发射得到了实验证实。观察到单层并五苯样品中的相干性在 ~135 个分子上非局域化,这明显大于在其他有机薄膜中观察到的值(几个分子)。此外,单层并五苯样品中激子的超传输表现出高度的各向异性行为。我们的研究结果为未来高速激子电路、快速 OLED 和其他光电器件的开发铺平了道路。
摘要 相干激子的长距离快速传输对于高速激子电路和量子计算应用的开发具有重要意义。然而,由于材料中原生状态下的激子传输存在较大的非均匀展宽和失相效应,因此大多数相干激子仅在某些低维半导体与腔耦合时才能观察到。在这里,通过将相干激子限制在二维量子极限,我们首次在原子级厚度的二维 (2D) 有机半导体中观察到分子聚集引起的相干态间激子的“超传输”,测得的高有效激子扩散系数在室温下约为 346.9 cm 2 /s。这个值比其他有机分子聚集体和低维无机材料的值高出一个到几个数量级。单层并五苯样品是一种非常干净的二维量子系统(厚度约 1.2 纳米),具有高结晶性(J 型聚集)和最小的界面态,在未与任何光学腔耦合的情况下,表现出来自 Frenkel 激子的超辐射发射,这通过温度相关的光致发光 (PL) 发射、高度增强的辐射衰减率、显著缩小的 PL 峰宽和强方向性平面内发射得到了实验证实。观察到单层并五苯样品中的相干性在 ~135 个分子上非局域化,这明显大于在其他有机薄膜中观察到的值(几个分子)。此外,单层并五苯样品中激子的超传输表现出高度的各向异性行为。我们的研究结果为未来高速激子电路、快速 OLED 和其他光电器件的开发铺平了道路。
错误检测和纠正是任何可扩展量子计算架构的必要先决条件。鉴于量子系统中不可避免地存在不必要的物理噪声,并且错误容易随着计算的进行而扩散,计算结果可能会受到严重破坏。无论选择哪种物理实现,这一观察结果都适用。在光子量子信息处理的背景下,人们对包括玻色子采样在内的被动线性光学量子计算产生了浓厚的兴趣,因为这种模型通过快速、主动控制消除了前馈的极具挑战性的要求。也就是说,这些系统在定义上是被动的。在通常情况下,错误检测和纠正技术本质上是主动的,这使得它们与该模型不兼容,这引起人们的怀疑,即物理错误过程可能是一个难以逾越的障碍。这里我们探索了一种基于光子量子比特 W 状态编码的光子误差检测技术,该技术完全是被动的、基于后选择的,并且与这些近期感兴趣的光子架构兼容。我们表明,这种 W 状态冗余编码技术能够通过简单的扇出式操作抑制光子量子比特上的失相噪声,该操作由光学傅里叶变换网络实现,现在可以轻松实现。该协议有效地将失相噪声映射到预兆故障,在理想的无噪声极限下故障概率为零。我们在单个光子量子比特通过嘈杂通信或量子存储通道的背景下提出我们的方案,该方案尚未推广到更一般的全量子计算背景。
可靠的单光子生成对于实施量子信息系统(例如量子加密和量子计算)非常重要[1]。半导体量子点是以single光子或光子对形式产生量子光的绝佳来源[2-13]。尤其是,已经表明,在通过适当的激光脉冲激发时,在激发态下准备量子点时,该点可以将单个光子发射到所需的输出模式中,例如腔或波导。由于每次激光脉冲后产生光子数状态,这一代人被称为“按需” [14]。按需单个光子源(SPSS)的关键数字是亮度,η(每个激光脉冲的平均光子数),二阶相干性,g(2)(0)(与单个光子纯度有关)(与单个光子纯度有关),以及 - 区分性,I(I(I(I),I(i(i(IM)量度,I(i(量度)已经开发了重大的研究工作,以提高SPS生成的效率,纯度和连贯性。艺术系统的状态已达到G(2)(0)= 0。012和i = 0的不可区分性。962 [9],尽管这些数字通常是在过滤后。不需要的光子对产生,从平面发射出发和驱动事件(例如通过声子吸收/发射[16,17])都是克服这些SPSS的持续改进的关键挑战。反馈,其中系统的输出用作稳定或控制机制,在各个平台上都很好地使用了[18-28]。这通常是通过基于测量的反馈来实现的,其中测量输出以告知对系统作用的外部控制[24 - 26,29 - 33]。但是,这种方法对于依赖于维持系统连贯性的量子信息系统是有问题的。相反,可以在系统级别中包含反馈并在系统本身上行动以避免测量:相干馈回。最近,显示波导量子电动力系统中的相干反馈可显着改变使用连续波泵的光子输出统计 -
摘要。低聚聚乙二醇 (PEG) 链中的振动能量传输可以通过光学振动链带以弹道方式进行,表现出快速而恒定的传输速度和高传输效率,从而提供了将超过 1000 cm -1 的大量能量传输到超过 60 Å 的远距离的方法。我们报告了分子内能量传输时间、链间传输速度和端基冷却速率如何取决于环境的刚性和极性。实验使用端基标记的 PEG 低聚物和二维红外 (2DIR) 光谱进行。弹道能量传输在链的一端通过在约 2100 cm -1 处激发叠氮基部分来启动,并通过探测琥珀酰亚胺酯的羰基拉伸模式在链的另一端记录下来。我们发现环境的刚性(聚苯乙烯 (PS) 基质与极性相似的溶液)不会对能量传输时间和链传输速度产生太大影响。这些结果表明,在弱极性介质中,尽管溶液中存在快速松弛成分,但溶液中发生的动态波动(但在固体基质中基本冻结)并不是链状态失相的主要原因。不同介质中传输时间的相似性表明二级链结构对 PEG 链中的传输影响不大。溶剂极性显著影响分子内传输:极性 DMSO 中的传输效率比非极性 CCl 4 或 PS 中的传输效率小约 1.6 倍。在极性更强的溶剂中,琥珀酰亚胺酯端基的冷却时间缩短,影响等待时间依赖形状,从而影响能量到达报告器的时间。本文分析了从数据中提取能量到达时间的不同方法。观察到的链间传输时间对溶剂极性的依赖性表明存在多个以不同群速度在 PEG 链中传播的波包。1. 简介。
1 Krausz,F。&Ivanov,M。Attosecond Physics。修订版mod。物理。81,163,(2009)。 2 Corkum,P。&Krausz,F。Attosecond Science。 nat。 物理。 3,381-387,(2007)。 3 Nisoli,M。&Sansone,G。Attosecond Science的新边界。 prog。 量子。 电子。 33,17-59,(2009)。 4 Ghimire,S。等。 观察大量晶体中高阶谐波产生。 nat。 物理。 7,138-141,(2011)。 5 Cavalieri,A。L.等。 凝结物质中的光谱法。 自然449,1029-1032,(2007)。 6 Hassan,M。T.等。 光学脉冲并跟踪结合电子的非线性响应。 自然530,66-70,(2016年)。 7您,Y。S。等。 无定形固体中的高谐波产生。 自然通讯8,1-5,(2017)。 8 Paasch-Colberg,T。等。 半导体中电流的亚周期光控制:从多光子到隧道状态。 Optica 3,1358-1361,(2016)。 9 Koya,A。N.等。 超快等离子体学的进步。 应用物理评论10,(2023)。 10 Heide,C。等。 电子相干性和在石墨烯中电子光控制中的相干性。 Nano Letters 21,9403-9409,(2021)。 11 Lucchini,M。等。 通过attosecond Spectroscopicy揭示了局部激子的相互交织的原子和批量性质。 12 Tao,Z。等。81,163,(2009)。2 Corkum,P。&Krausz,F。Attosecond Science。 nat。 物理。 3,381-387,(2007)。 3 Nisoli,M。&Sansone,G。Attosecond Science的新边界。 prog。 量子。 电子。 33,17-59,(2009)。 4 Ghimire,S。等。 观察大量晶体中高阶谐波产生。 nat。 物理。 7,138-141,(2011)。 5 Cavalieri,A。L.等。 凝结物质中的光谱法。 自然449,1029-1032,(2007)。 6 Hassan,M。T.等。 光学脉冲并跟踪结合电子的非线性响应。 自然530,66-70,(2016年)。 7您,Y。S。等。 无定形固体中的高谐波产生。 自然通讯8,1-5,(2017)。 8 Paasch-Colberg,T。等。 半导体中电流的亚周期光控制:从多光子到隧道状态。 Optica 3,1358-1361,(2016)。 9 Koya,A。N.等。 超快等离子体学的进步。 应用物理评论10,(2023)。 10 Heide,C。等。 电子相干性和在石墨烯中电子光控制中的相干性。 Nano Letters 21,9403-9409,(2021)。 11 Lucchini,M。等。 通过attosecond Spectroscopicy揭示了局部激子的相互交织的原子和批量性质。 12 Tao,Z。等。2 Corkum,P。&Krausz,F。Attosecond Science。nat。物理。3,381-387,(2007)。 3 Nisoli,M。&Sansone,G。Attosecond Science的新边界。 prog。 量子。 电子。 33,17-59,(2009)。 4 Ghimire,S。等。 观察大量晶体中高阶谐波产生。 nat。 物理。 7,138-141,(2011)。 5 Cavalieri,A。L.等。 凝结物质中的光谱法。 自然449,1029-1032,(2007)。 6 Hassan,M。T.等。 光学脉冲并跟踪结合电子的非线性响应。 自然530,66-70,(2016年)。 7您,Y。S。等。 无定形固体中的高谐波产生。 自然通讯8,1-5,(2017)。 8 Paasch-Colberg,T。等。 半导体中电流的亚周期光控制:从多光子到隧道状态。 Optica 3,1358-1361,(2016)。 9 Koya,A。N.等。 超快等离子体学的进步。 应用物理评论10,(2023)。 10 Heide,C。等。 电子相干性和在石墨烯中电子光控制中的相干性。 Nano Letters 21,9403-9409,(2021)。 11 Lucchini,M。等。 通过attosecond Spectroscopicy揭示了局部激子的相互交织的原子和批量性质。 12 Tao,Z。等。3,381-387,(2007)。3 Nisoli,M。&Sansone,G。Attosecond Science的新边界。prog。量子。电子。33,17-59,(2009)。4 Ghimire,S。等。观察大量晶体中高阶谐波产生。nat。物理。7,138-141,(2011)。 5 Cavalieri,A。L.等。 凝结物质中的光谱法。 自然449,1029-1032,(2007)。 6 Hassan,M。T.等。 光学脉冲并跟踪结合电子的非线性响应。 自然530,66-70,(2016年)。 7您,Y。S。等。 无定形固体中的高谐波产生。 自然通讯8,1-5,(2017)。 8 Paasch-Colberg,T。等。 半导体中电流的亚周期光控制:从多光子到隧道状态。 Optica 3,1358-1361,(2016)。 9 Koya,A。N.等。 超快等离子体学的进步。 应用物理评论10,(2023)。 10 Heide,C。等。 电子相干性和在石墨烯中电子光控制中的相干性。 Nano Letters 21,9403-9409,(2021)。 11 Lucchini,M。等。 通过attosecond Spectroscopicy揭示了局部激子的相互交织的原子和批量性质。 12 Tao,Z。等。7,138-141,(2011)。5 Cavalieri,A。L.等。凝结物质中的光谱法。自然449,1029-1032,(2007)。6 Hassan,M。T.等。 光学脉冲并跟踪结合电子的非线性响应。 自然530,66-70,(2016年)。 7您,Y。S。等。 无定形固体中的高谐波产生。 自然通讯8,1-5,(2017)。 8 Paasch-Colberg,T。等。 半导体中电流的亚周期光控制:从多光子到隧道状态。 Optica 3,1358-1361,(2016)。 9 Koya,A。N.等。 超快等离子体学的进步。 应用物理评论10,(2023)。 10 Heide,C。等。 电子相干性和在石墨烯中电子光控制中的相干性。 Nano Letters 21,9403-9409,(2021)。 11 Lucchini,M。等。 通过attosecond Spectroscopicy揭示了局部激子的相互交织的原子和批量性质。 12 Tao,Z。等。6 Hassan,M。T.等。光学脉冲并跟踪结合电子的非线性响应。自然530,66-70,(2016年)。7您,Y。S。等。无定形固体中的高谐波产生。自然通讯8,1-5,(2017)。8 Paasch-Colberg,T。等。 半导体中电流的亚周期光控制:从多光子到隧道状态。 Optica 3,1358-1361,(2016)。 9 Koya,A。N.等。 超快等离子体学的进步。 应用物理评论10,(2023)。 10 Heide,C。等。 电子相干性和在石墨烯中电子光控制中的相干性。 Nano Letters 21,9403-9409,(2021)。 11 Lucchini,M。等。 通过attosecond Spectroscopicy揭示了局部激子的相互交织的原子和批量性质。 12 Tao,Z。等。8 Paasch-Colberg,T。等。半导体中电流的亚周期光控制:从多光子到隧道状态。Optica 3,1358-1361,(2016)。9 Koya,A。N.等。 超快等离子体学的进步。 应用物理评论10,(2023)。 10 Heide,C。等。 电子相干性和在石墨烯中电子光控制中的相干性。 Nano Letters 21,9403-9409,(2021)。 11 Lucchini,M。等。 通过attosecond Spectroscopicy揭示了局部激子的相互交织的原子和批量性质。 12 Tao,Z。等。9 Koya,A。N.等。超快等离子体学的进步。应用物理评论10,(2023)。10 Heide,C。等。 电子相干性和在石墨烯中电子光控制中的相干性。 Nano Letters 21,9403-9409,(2021)。 11 Lucchini,M。等。 通过attosecond Spectroscopicy揭示了局部激子的相互交织的原子和批量性质。 12 Tao,Z。等。10 Heide,C。等。电子相干性和在石墨烯中电子光控制中的相干性。Nano Letters 21,9403-9409,(2021)。11 Lucchini,M。等。 通过attosecond Spectroscopicy揭示了局部激子的相互交织的原子和批量性质。 12 Tao,Z。等。11 Lucchini,M。等。通过attosecond Spectroscopicy揭示了局部激子的相互交织的原子和批量性质。12 Tao,Z。等。12 Tao,Z。等。自然通信12,1021,(2021)。直接对固体光发射中ATTSENT最终寿命的时间域观察。科学353,62-67,(2016)。13 Lucchini,M。等。 在多晶钻石中的动态动力学Franz-keldysh效应。 科学353,916-919,(2016)。 14 Baudisch,M。等。 石墨烯中狄拉克费物的超快非线性光学响应。 自然通讯9,1018,(2018)。 15 Hui,D.,Alqattan,H.,Sennary,M.,Golubev,N。&Hassan,M。Attosecond Electron显微镜和衍射。 在印刷中,(2024)。13 Lucchini,M。等。在多晶钻石中的动态动力学Franz-keldysh效应。科学353,916-919,(2016)。14 Baudisch,M。等。石墨烯中狄拉克费物的超快非线性光学响应。自然通讯9,1018,(2018)。15 Hui,D.,Alqattan,H.,Sennary,M.,Golubev,N。&Hassan,M。Attosecond Electron显微镜和衍射。在印刷中,(2024)。
嵌入绝缘固态基质中的稀土 (RE) 离子为量子计算和量子信息处理提供了一个有趣的平台。稀土离子的核自旋和电子晶体场 (CF) 能级可用于存储和操纵量子态。由于稀土离子量子态的相干时间较长,它们非常适合实现量子比特。最近已证明,失相时间范围从 CF 态之间的电子跃迁的 100 µ s [1] 到核跃迁的 1.3 s [2],甚至通过使用动态解耦 [3] 可长达 6 小时。此外,通过检测钇铝石榴石 (YAG) [4, 5]、钒酸钇 (YVO) [6] 和硅酸钇 (YSO) [7–9] 发射的光子,已经证明了读出单自旋态的可能性,这使得此类稀土离子系统成为量子技术的有希望的平台。一些稀土离子在电信使用的频率范围内表现出 CF 跃迁,这使得它们非常适合用作量子中继器 [10, 11]。以前利用稀土离子进行量子计算的方案提出利用 CF 态的电偶极相互作用,建议通过间接偶极阻塞效应实现 CNOT 门 [12–14]。在该方案中,来自控制量子位的偶极场会使目标量子位的跃迁频率发生偏移。这被用来实现具有脉冲序列的 CNOT 门,只有当控制位处于逻辑 1 态时,该门才有效。这里我们提出了一种基于磁偶极相互作用的更快的两量子比特门,该门的灵感来自文献 [15] 中利用硅中的磷供体实现的两量子比特门,类似于金刚石中氮空位中心的混合电子和核自旋方案 [16]。我们在图 1 中展示了基本原理,并在图 2 中展示了相关能量尺度的基础层次。
引言光与原子旋转的耦合是使用光子(1-4)的量子信息处理中的主要工具,并以精确的光学光谱法,实现了原子结构(5、6),时间和频率标准(7)和实验室搜索的确定(8)。这些应用的性能取决于旋转的相干时间以及彼此相处的效率。在致密的原子气体中,光可以有效地与集合的集体原子自旋搭配(9)。然而,在室温及以上,由于原子与环境的相互作用以及动作倾向,这种集体旋转易于发动,这通常将相干时间限制在10至100 ms(10-14)。碱蒸气可以达到1分钟(15 - 18)的连贯时间,并且成功地用于量子磁孔应用中(9),但高质量的涂料在升高的温度下降解并因此限制了碱密度。贵重气体的奇数同位素(例如3他)的核中旋转非零。核自旋受到完整的电子壳的保护,因此表现出非常长的连贯时间,可能是很多小时。这对应于用于精确传感(19,20),医学成像(21)和寻找新物理学(22 - 25)的狭窄核能共振(NMR)(NMR)。由于贵重气体对从红外线到紫外线的光透明,因此对其核自旋的制备和监测通常依赖于与另一种旋转气体的碰撞(26,27)。我们观察到一个实质性的Noble-Gas NMR传感器使用与碱原子的自旋交换碰撞。因为碱旋转确实会亮起来,因此可以按照这种方式进行NMR信号的拾取,并以这种方式进行狭窄的光谱和长期旋转的旋转优先信号(28 - 31)。然而,各种量子光学应用都需要在光和贵族旋转之间有效的双向耦合(32 - 36)。从未实现过与长寿命核自旋的共振光学激发相对应的这种耦合。在这里,我们意识到由碱旋转介导的光和贵族旋转之间的连贯的双向耦合。
纳米结构中的时间依赖性现象对理解和控制其动态行为的兴趣越来越大。应用程序之一是量子计算,其中可以通过以可编程方式操纵粒子(Qubits)来以平行方式进行某种信息处理[1,2]。在某些物理系统中已成功证明了各种量子算法[3],并且在整合实用量子计算机所需的大量Qubits方面已经取得了进展,尤其是在SolidStatesystateSystateSystems中[4-9]。尽管跨性量表computermayrequire的巨大研究活动,但量子信息研究已经成功,因为提供了一种通用语言来与跨学科研究人员进行交流。量子型cannowbediscussedintermsofquantuminenformination Theory,它促进了物理学家,化学家,数学家和量子工程师之间的讨论。通常,任何将初始状态(密度算子)更改为最终状态的量子过程都可以通过完全阳性的痕量保护映射来描述[1]。对映射的知识用于定义量子信息过程。相同的映射提供了无脑摄取的iNteractractions。Quantumcomputation isbasedonanassemblyofunitaryoperations, whichcanbedecomposedintosomefundamental unitary operations on one- or two- qubit subsystems.因此,问题可以简化为几种单一操作员。实际上,现实的操作受到与量子系统耦合的环境的影响和降级,因此映射成为一个非整体量子过程[10]。降低系统相干性的两个重要量子过程是耗散的,其中量子系统的能量与环境交换,并进行dephasing,其中量子系统的相位由环境随机化。前者通常以纵向松弛时间(T 1)为特征,而后者则以横向松弛时间(T 2)为特征。此外,在与测量设备耦合下,测量过程也可以视为量子过程。量子计算需要一组完整的量子过程,以初始化所有量子位,执行一个和双Quit的单一操作,测量每个量子状态并避免出现非单一操作的错误[11]。纳米规模的固态设备中的量子动力学对于控制具有可编程量子过程序列的定制结构中的某些单个量子具有吸引力。具有约瑟夫森连接的超导电路成功证明了一个和两Q量的操作,具有高度的相干性[12,13]。可以通过设计设备参数和适当的脉冲序列来很好地与环境隔离。另一个系统是半导体量子点(QD),它提供可以用外部电压控制的人工电子状态。由于可以在半导体装置中设计和实际形成原子样电子状态,因此QD通常称为人工原子[14-17]。电子状态的高可控性可用于研究人工量子系统的动态行为以及量子计算系统的动态行为。有两个主要选择量子基础:单个QD中的自由度自由度和双量子点(DQD)中的电荷(轨道)自由度。在本文中,我们将回顾一些有关QD中的旋转和充电量子的研究,这些研究与量子信息处理和实际设备背后的物理现象有关。
量子计量学是量子信息领域的一门新兴学科,目前正在经历一系列实验突破和理论发展。量子计量学的主要目标是尽可能准确地估计未知参数。通过使用量子资源作为探针,可以达到使用最佳经典策略无法实现的测量精度。例如,对于相位估计任务,最大精度(海森堡极限)是最佳经典策略精度的二次方增益。当然,量子计量学并不是目前正在取得进展的唯一量子技术。本论文的主题是探索如何在适当的情况下使用其他量子技术增强量子计量学,即:图状态、纠错和加密。图状态是量子信息中非常有用且用途广泛的资源。我们通过量化图状态对相位估计量子计量任务的实用性来帮助确定图状态的全部适用范围。具体而言,图状态的效用可以根据相应图的形状来表征。据此,我们设计了一种方法,将任何图状态转换为更大的图状态(称为捆绑图状态),该图状态近似饱和海森堡极限。此外,我们表明,图状态是一种抵抗噪声影响的稳健资源,即失相和少量擦除,并且量子克拉美-罗界限可以通过简单的测量策略饱和。噪声是量子计量学的最大障碍之一,限制了其可实现的精度和灵敏度。已经证明,如果环境噪声与量子计量任务的动态可以区分,那么可以频繁应用误差校正来对抗噪声的影响。然而在实践中,目前的量子技术无法达到保持海森堡精度所需的误差校正频率。我们通过考虑技术限制和障碍来探索纠错增强量子计量的局限性,由此我们建立了在存在噪声的情况下可以保持海森堡极限的机制。全面实施量子计量问题在技术上要求很高:必须以高保真度生成和测量纠缠量子态。在缺乏所有必要的量子硬件的情况下,一种解决方案是将任务委托给第三方。这样做自然会出现一些安全问题,因为可能存在恶意对手的干扰。我们解决了