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利用压缩声子进行囚禁离子量子信息处理
囚禁离子为量子计算和模拟提供了一个完美的平台，但提高它们的相干性仍然是一个关键挑战。本文，我们提出并分析了一种通过参数放大离子运动来增强囚禁离子系统中相干相互作用的新策略——通过挤压集体运动模式（声子），它们介导的自旋-自旋相互作用可以得到显著增强。我们通过展示它如何增强对量子计量有用的集体自旋态，以及如何提高多离子系统中双量子比特门的速度和保真度来说明这种方法的强大功能，这是可扩展囚禁离子量子计算的重要组成部分。我们的结果也与许多其他由玻色子介导自旋相互作用的物理平台直接相关。
组合新量子设备的被困原子和光子学
中性原子的阵列被困在光学镊子中 - 可以将原子固定到位的高度集中的激光束 - 是构建量子处理器的越来越流行的方式。中性原子的这些网格，当以特定序列激发时，可以将复杂的量子计算缩放到数千个Qubits。但是，它们的量子状态是脆弱的，可以很容易被破坏 - 包括光子设备，旨在以光子的形式收集其数据。
W状态在被困的离子系统中的耗散制备
通过与环境的相互作用在量子系统中产生耗散，并为量子模拟，计算，通信和计量学中的应用带来了挑战。但是，也可以引入和利用受控的耗散来操纵量子系统。原子物理学中熟悉的例子包括光学泵送和激光冷却。这些技术允许从不受控制的和未知的初始状态中去除熵和近似制备所需的纯状态。这不能通过统一操作来完成。最近，注意力集中在使用耗散进行量子信息处理[1-3]，尤其是生成纠缠。虽然本质上不优于统一纠缠产生策略，但耗散方案对某些错误机制的敏感性较小。此外，它们允许在存在噪声的情况下创建和稳定资源状态，从而可以按需使用。在许多系统中都证明了用于纠缠和其他非经典状态的生成和稳定的耗散方案，包括宏观原子团[4]，被困的离子[5-7]和超导码头[8-10]。许多建议描述了生成纠缠[11-17]，执行误差校正[18，19]的其他方案，并初始化量子模拟器[20]。广义，可以将工程耗散应用于量子信息处理的完整范围尚不清楚，并且可以完成新任务扩展边界的实用协议。第一组实验证明了使用连续应用的耦合的稳态纠缠的准备[6，8]。这些方案中的一种重要成分是时间尺度的层次结构，例如，在速率G上应用强烈的调整驱动器以及与特征率G i的其他相互作用。敷料驱动器会产生共鸣，这些共振由其他驱动器在极限g i g中解析，而时代尺度g -1 i≫g -g -1的层次结构可保护目标状态。然而，这种方案的稳态纠缠仅渐近地接近统一，因为敷料驱动器的相对强度r = g / max {g i}增加。更重要的是，时间尺度的层次结构限制了纠缠速度的速度，因为与G相比，必须缓慢驱动填充目标状态的其他相互作用G I与G的实验可实现的速率相比。这在存在各种错误来源的情况下实用了状态准备的速度和可实现的实力，这些限制更糟
利用压缩声子进行捕获离子量子信息处理
捕获离子为量子计算和模拟提供了一个原始平台，但提高它们的相干性仍然是一个关键挑战。在这里，我们提出并分析了一种新策略，通过参数放大离子的运动来增强捕获离子系统中的相干相互作用——通过挤压集体运动模式（声子），它们介导的自旋-自旋相互作用可以得到显著增强。我们通过展示它如何增强对量子计量有用的集体自旋态，以及它如何提高多离子系统中双量子比特门的速度和保真度来说明这种方法的强大功能，这是可扩展捕获离子量子计算的重要组成部分。我们的研究结果也与许多其他由玻色子介导自旋相互作用的物理平台直接相关。
朝着捕获的氦离子上的高分辨率光谱
为了精确地测试物理理论，必须在系统中进行检查，该系统足够简单，以允许精确的理论描述，并且可以高精度地测量。数十年来，氢原子一直被用作测试量子电动力学（QED）系统的系统。由于其简单性，可以使用QED精确计算氢的能级。在实验上，使用激光光谱法精确测量氢中的过渡采石场。通过将实验数据与理论表达进行比较，可以确定两个物理概念，即rydberg常数和原子核的辐射半径，并且可以测试理论本身的有效性。在这项工作中，报告了在氢样离子He +中1s-2s两光子转变的光谱法上的进展。由于他 +具有与氢相同的结构，因此基本上是由同一理论描述的。然而，QED较高的高阶贡献了更大的比例，因为它们在核心充电中具有巨大的能力。通过将1S-2S过渡频率与氦芯的众所周知的电荷半径相结合，可以在不同的系统中首次测量Rydberg常数。该值与从氢光谱获得的值的比较将对QED的普遍性进行严格的测试。这项工作的第一部分涉及离子秋天的结构。目前，氢光谱的准确性受核运动的影响限制。由于其负载，他的 +离子几乎被困在保罗陷阱中，这大大降低了这些影响。大约50个He +离子与一千个激光冷却的Be离子一起被困在一起，可用于交感冷却。在He +离子中刺激1S-2S交叉可以导致三光子电离到2+。一种技术，可以实时和一个个体的一部分来检测这些离子。这被用作光谱法的灵敏和背景检测程序。虽然可以在深层紫外线中进行成熟激光系统的氢光谱法，但有必要刺激1S-2S过渡到He +窄带辐射，波长为60，8 nm。这是在极端紫外线（XUV）中，那里没有永久线激光器。取而代之的是，红外频率梳子的高度密集脉冲在夸张谐振器中的夸张谐振器中转换为XUV。产生的XUV频率梳子的离散时尚可以有效地下雨并实现高光谱分辨率。产生高和谐的频率梳需要特殊的光谱纯度，因此可以在XUV中实现狭窄的时尚。在这项工作的第二部分中，描述了满足此要求的稳定频率梳系统的结构。作为这项工作的一部分，已证明了一项新技术来测量谐振器稳定激光系统的噪声噪声。
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。
利用捕获电子进行量子计算的可行性研究
正在进行的构建量子计算机的努力基于各种物理实现。最成熟的实现之一是基于保罗阱中的捕获离子，其中量子位被编码在离子价电子的内部状态中，并使用自旋相关力进行纠缠，将离子的内部状态与其集体运动耦合 [1]。捕获离子的优势在于它们表现出超过 10 分钟的相干时间 [2-4] 和灵活的连接 [5,6]。此外，单量子位门的每个门错误率已低至 10 − 6 [7,8]，多量子位门的每个门错误率低至 10 − 3 [9-11]。然而，与超导量子位（约 10 纳秒）相比，离子之间的多量子位操作通常相对较慢（约 10 μ s）。此外，冷却、制备、读出和控制数千个捕获离子量子比特所需的光学技术仍处于起步阶段 [ 12 – 14 ]。在这里，我们对基于捕获电子的量子计算进行了可行性研究。电子对量子计算很有吸引力，因为它们非常轻，是一个天然的两级自旋系统（量子比特），具有足够大的磁矩，可以用成熟的微波技术和热库来操纵，从而无需量子比特控制光学器件。相对于捕获离子，质量减少了四个数量级，增加了捕获势中粒子的运动频率，从而提高了多量子比特操作和传输的速度。此外，电子的两级自旋结构消除了传统原子和固态的某些复杂性
利用捕获电子进行量子计算的可行性研究
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量子计算和模拟用被困离子的振动模式
电容，其中C G是栅极电容，C J是连接电容，如图1。对于电荷零件，约瑟夫森能量与充电能量E J / E C的典型比率约为1，因此充电能量主导。特征力E M对过渡能E 01的响应比（E 1-e 0在n g = 0。5）在图中绘制了量子的2（a）。对于不同的E J / E C（5、10和50）的其他比率E M / E 01也在图1和图2中绘制。2（b） - 2（d）。由于ˆφ和ˆ n满足换向关系ˆφ，ˆ n = i，电荷数是一个良好的量子数，并且相相对较大。Josephson连接通常用DC平方（Su-percoductucting量子干扰装置）代替，该连接可以用作可调的Josephson交界处，从而增加了操纵电荷Qubit的功能。在所谓的电荷基础上，[4] ˆ n =σn n | n⟩⟨n |和cosφ= 1 /2·σN（|n⟩⟨n + 1 | + | n + 1⟩⟨n |），可以将汉密尔顿人写成< / div>
光学捕获分子的激光冷却 - Doyle Group
超冷分子是许多重要应用的理想平台，从量子模拟 1 – 5 和量子信息处理 6, 7 到基础物理的精密测试 2, 8 – 11。生产捕获的、致密的超冷分子样品是一项具有挑战性的任务。一种很有前途的方法是直接激光冷却，它可以应用于几类不易由超冷原子组装的分子 12, 13。在本文中，我们报告了激光冷却 CaF 分子捕获样品的生产，其密度为 8! × !10 7 cm − 3，相空间密度为 2! × !10 − 9，比自由空间中的亚多普勒冷却样品高 35 倍 14。这些进展是通过将光学捕获的分子有效地激光冷却到远低于多普勒极限而实现的，这是迈向许多未来应用的关键一步。这些领域包括超冷化学和量子模拟，其中需要保守地捕获低温致密样品。此外，冷却光学捕获分子的能力为量子简并开辟了新途径。