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囚禁离子量子计算机上的最近质心分类
近年来，量子机器学习在理论和实践方面取得了长足的发展，已成为量子计算机在现实世界中应用的有希望的领域。为了实现这一目标，我们结合了最先进的算法和量子硬件，为量子机器学习应用提供了实验演示，并可证明其性能和效率。具体来说，我们设计了一个量子最近质心分类器，使用将经典数据高效加载到量子态并执行距离估计的技术，并在 11 量子比特离子阱量子机上进行了实验演示，其准确度与经典最近质心分类器的准确度相当，可用于 MNIST 手写数字数据集，并可实现 8 维合成数据的准确度高达 100%。
用于囚禁离子光寻址的光栅耦合器的设计与制作
量子计算利用量子比特的量子现象（叠加和纠缠）执行复杂的计算任务 [4]。在过去的几十年中，各种各样的量子比特已经被实现，包括超导量子比特 [2]，[5]，半导体量子点 [6]，[7] 和捕获离子量子比特 [8]。在上述量子比特中，捕获离子量子比特因其在量子纠缠中的高保真度而备受关注，因为捕获离子本质上是相同的 [9]。为了将捕获离子量子比特应用于量子计算设备，霍尼韦尔将 QCCD（量子电荷耦合器件）架构实现到可编程捕获离子量子计算机中。在 QCCD 中，捕获离子量子计算机可以通过将离子阱与用于量子比特光学寻址的光电元件集成到一个紧凑的独立设备中来实现。据报道，QCCD 实现了 2 4 的量子体积测量，并且几乎不存在串扰 [10]。
可调耗散电子转移模型的囚禁离子量子模拟
电子转移是许多基本物理、化学和生物化学过程的核心，这些过程对生命至关重要。这些反应的精确模拟常常受到大量自由度和量子效应的阻碍。在这里，我们使用多种离子阱晶体通过实验模拟了分子电子转移的典型模型，其中供体-受体间隙、电子和振动电子耦合以及池弛豫动力学都可以独立控制。通过操纵基态和光学量子比特，我们观察到自旋激发的实时动态，测量了几种绝热和弛豫动力学状态下的传输速率。我们的研究结果为日益丰富的分子激发转移过程模型提供了试验场，这些模型与分子电子学和光收集系统有关。
面向囚禁离子量子计算机的基于循环的穿梭，扩展摘要
I. 引言 量子计算 [1] 作为一种新范式，有望解决某些在传统计算机上难以计算的问题。离子阱量子计算机是在可预见的未来最有希望展现量子优势的候选者之一 [2]。然而，这种机器的扩展需要相应的工具支持才能充分发挥其潜力。特别是对于离子阱，有效地移动（即穿梭）离子是一个重要问题，因为不必要的移动不仅增加了所需时间，而且还增加了由于退相干而导致错误的可能性。这使得确定有效的移动时间表对于离子阱量子计算机中的有用计算至关重要。已经提出了解决该问题的第一个解决方案，例如在 [3]–[7] 中。然而，所考虑的架构相对简单，并未涵盖大部分可能的架构。在这项工作中，我们提出了一种基于循环的启发式方法的概念，用于为给定的量子电路生成有效的穿梭时间表。
用于囚禁离子量子系统的集成偏振多样化光栅发射器
离子阱系统具有较长的相干时间和较强的离子间相互作用，可实现高保真度的双量子比特门，是一种很有前途的量子信息处理方式 [1]。目前，大多数实现都由复杂的自由空间光学系统组成，其较大的尺寸以及对振动和漂移的敏感性会限制离子阵列的保真度和可寻址性，从而阻碍向大量量子比特的扩展。最近，基于集成光子学的设备和系统已被证明是解决这些挑战的一种途径 [2,3]。到目前为止，这些先前的集成演示仅限于使用单一线性偏振光（特别是横向电场 (TE)）进行操作，该偏振光名义上与离子阱芯片表面平行。然而，不同的偏振对于实现先进的离子阱系统的许多操作至关重要 [4]，这引起了人们对开发偏振多样化发射器的兴趣 [5,6]。例如，基于集成光子学的架构涉及 TE 和横磁 (TM) 偏振光（如图 1a 中的配置），对于实现先进的离子冷却方案必不可少，这种方案可在几种非简并陷阱振动模式下提供亚多普勒温度，例如偏振梯度冷却和电磁诱导透明冷却 [4]。在本文中，我们设计并通过实验演示了一对集成的 TE 和 TM 发射光栅，工作波长为 422 nm，对应于 88 Sr + 离子的 5 2 S 1/2 到 5 2 P 1/2 跃迁，这是离子控制的关键跃迁。我们实施了一种自定义的优化设计算法，以实现发射单向聚焦光束的双层、切趾和曲面光栅，实验测量的光斑尺寸为 TE 光栅 7.6 μm × 4.3 μm，TM 光栅 5.0 μm × 3.6 μm，目标离子高度距芯片表面 50 μm。据我们所知，这项工作代表了用于捕获离子系统的集成 TM 发射光栅的首次开发，因此，它为基于集成光子学的捕获离子量子系统涉及多个极化的高级操作奠定了基础。
量子囚禁离子量子计算
▪ Palmero, M.、Bowler, R.、Gaebler, JP、Leibfried, D. 和 Muga, JG，《保罗阱内混合物种离子链的快速传输》。Phys. Rev. A 90, 053408 (2014)。
基于囚禁离子的量子计算和传感的集成光子学
1. 简介 量子计算、通信和传感正受到越来越多的关注，因为它们在许多重要任务中都有望实现比传统系统更出色的性能。存在许多不同的量子模态（捕获离子、中性原子、光子、超导和半导体量子比特）；它们对光子功能的需求各不相同。在某些系统中，光子充当量子比特，而在其他系统中，光学器件充当量子比特的接口，可以直接准备、操纵或读出量子态，也可以间接作为更大系统的一部分（例如提供经典通信通道或参考激光振荡器）。在所有情况下，光子集成电路 (PIC) 都为实现光学功能提供了一种有吸引力的选择，因为它们体积小；能够创建大型和复杂的光学电路，从而有助于实现功能或量子比特数量的扩展；而且，与离散光学和光学系统相比，它们通常具有更优越的环境稳定性。
真实超导和基于囚禁离子的量子计算机上的量子图像处理
摘要：近几年来，我们每天处理的图像的大小和数量以及数据量都在迅速增长。量子计算机有望更有效地处理这些数据，因为经典图像可以存储在量子态中。量子计算机模拟器上的实验证明了这一承诺所基于的范式是正确的。然而，目前，在真正的量子计算机上运行完全相同的算法往往容易出错，无法有任何实际用途。我们探索了在真正的量子计算机上进行图像处理的当前可能性。我们重新设计了一种常用的量子图像编码技术，以降低其对错误的敏感性。我们通过实验表明，目前在量子计算机上编码并随后以最多 5% 的误差检索的图像的大小限制为 2×2 像素。一种绕过这一限制的方法是将经典过滤的思想与仅在本地运行的量子算法相结合。我们使用边缘检测的应用示例展示了这种策略的实用性。我们的混合过滤方案的量子部分是一个人工神经元，在真实的量子计算机上也能很好地运行。
太空中囚禁离子原子钟的演示
原子和离子的捕获和冷却方法对原子钟产生了革命性的影响，因为它们可以减少甚至消除主要的系统频率偏移 [1]、[2]、[3]。捕获原子/离子光学钟的性能比其前代产品提高了几个数量级，并已成为国家计量实验室研究项目的关键组成部分 [4]、[5]。基于捕获离子的连续运行原子钟已经存在了几十年，但迄今为止仅限于地面应用 [6]。本文介绍了 NASA 的深空原子钟 (DSAC)，它于 2019 年发射，成为第一台在太空中运行的捕获离子原子钟 [7]。DSAC 的设计不包括低温技术、灵敏的微波腔或激光器。相反，它在接近室温的温度下运行，使用简单的行波微波元件，并使用等离子体放电深紫外光源。这些元件都具有很高的成熟度和强大的可操作性，使其能够发射到太空并在太空中运行。在地面上，DSAC 展示了 1.5x10 -13 /t 1/2 的短期分数频率稳定度 [8]。在太空中，它运行了 2 年，实现了每秒 1.5x10 -13 的分数频率稳定度，超过一天的平均时间的长期稳定性为 3x10 -15，23 天内的时间偏差仅为 4 纳秒（未消除漂移），估计漂移为每天 3.0(0.7)x10 -16。在目前使用的最稳定的空间时钟中，每个时钟都建立了至少一个数量级的新空间时钟性能标准 [9]，[10]，[11]。由于对辐射、温度和磁场变化的敏感度低，DSAC 时钟也适用于太空环境。预计这种级别的空间时钟性能将实现单向导航，即在现场测量信号延迟时间，从而实现近实时深空探测器导航 [12 ] 。在本文中，我们将描述 DSAC 在太空中的性能及其环境敏感性、该技术的主要应用以及未来发展方向。