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World File Search System自发辐射
高磁场下捕获离子多量子比特门的自发辐射比较
潘宁阱已用于对数百个离子进行量子模拟和传感，并提供了一种扩大捕获离子量子平台的有希望的途径，因为它能够在二维和三维晶体中捕获和控制数百或数千个离子。在潘宁阱和更常见的射频保罗阱中，激光通常用于驱动多量子比特纠缠操作。这些操作中退相干的主要来源是非共振自发辐射。虽然许多捕获离子量子计算机或模拟器使用时钟量子比特，但其他系统（尤其是具有高磁场的系统，如潘宁阱）依赖于塞曼量子比特，这需要对这种退相干进行更复杂的计算。因此，我们从理论上研究了自发辐射对在高磁场中使用捕获离子基态塞曼量子比特执行的量子门的影响。具体来说，我们考虑了两种类型的门——光移位（ ˆ σ zi ˆ σ zj ）门和 Mølmer-Sørensen（ ˆ σ xi ˆ σ xj ）门——它们的激光束近似垂直于磁场（量化轴），并比较了每种门中的退相干误差。在每种门类型中，我们还比较了与驱动门所用的激光束的失谐、偏振和所需强度有关的不同工作点。我们表明，这两种门在高磁场下的最佳工作条件下都能具有相似的性能，并研究了各种工作点的实验可行性。通过检查每个门的磁场依赖性，我们证明，当 P 态精细结构分裂与塞曼分裂相比较大时，Mølmer-Sørensen 门的理论性能明显优于光移门。此外，对于光移门，我们对高场下可实现的保真度与最先进的双量子比特离子阱量子门的保真度进行了近似比较。我们表明，就自发辐射而言，我们当前配置可实现的保真度比最好的低场门大约高一个数量级，但我们也讨论了几种替代配置，其潜在错误率与最先进的离子阱门相当。
相干光谱 1 拉比振荡
在 PC IV 中，您已经学习了布洛赫方程、拉比振荡和脉冲序列，它们是基于核或电子自旋与无线电波之间的相干相互作用来提取有关物质结构和动力学特性的有用信息的方法。原则上，这些方法可以转移到光谱学领域以达到相同的目的。不幸的是，在光频率下，人们必须处理不同的、更快的松弛过程，这些过程会破坏相干性。例如，在 NMR 中，由于 ν 3 缩放（其中 ν 是发射频率），自发辐射非常慢，以至于它对使自旋系统达到热平衡的贡献可以忽略不计。相反，在光频率下，自发辐射是最重要的退相干源之一。尽管如此，激光源和技术的进步为原子和分子的相干操控提供了大量可能性，如今这些可能性在量子信息科学和飞秒化学等不同领域都有重要应用。
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离子阱量子计算中光学跃迁的几何相位门
量子计算中最重要的、最困难的实验工作之一是实现近乎完美的两量子比特门操作。目前，人们认为大约 10 −4 的门错误概率足够低，可以实现所谓的高效容错量子计算 1、2。囚禁离子串是实现量子计算机最有希望的候选对象之一。用离子量子门实验实现的最低门不真实性仍然在 3% 左右 3。这种几何相位门的主要限制来自自发辐射和磁场涨落 3、4。离子阱量子计算可以用两种替代的量子比特编码来实现：超精细基态量子比特和通过光跃迁连接的量子比特态。对于超精细量子比特，门操作由偶极跃迁介导的拉曼耦合执行。参考文献 3 使用了基于这种超精细跃迁的编码。然而，在这样的设置下，将自发散射降低到所需的容错水平以下是很有挑战性的 5,6 ，因为需要大量的激光功率。最近，针对超精细量子比特 7 ，提出了在四极跃迁中使用拉曼过程。然而，这种策略需要高激光功率来实现短门时间。在这里，我们提出了在光学跃迁上使用 z 型几何相位门来克服 3 实现中存在的一些限制。例如，使用光学四极跃迁可以充分降低自发辐射事件的可能性。同时还表明，磁场不敏感状态可用于 z
超导电路中的量子光学和波导量子电动力学
波导电路量子电动力学（波导电路 QED）研究一维超导电路与光物质的相互作用。在电路 QED 中，自然原子被由非线性约瑟夫森结组成的超导量子比特所取代，从而产生与真实原子一样的非谐波能谱。利用超导量子比特，可以研究量子光学现象，并达到由于与电磁场的弱耦合而难以用真实原子实现的新状态。波导 QED 中降维到一维会增加电磁场的方向性，从而减少损耗。在本论文中，我们首先介绍电路量化，为下一部分奠定基础，在下一部分中，我们将研究耦合到半无限传输线的 transmon（电荷不敏感的人工原子）。耦合到半无限波导的原子称为镜子前的原子，是所有附加论文的主题。我们接着总结论文 I 和论文 III 的主要结果：在论文 I 中，我们研究了耦合到半无限传输线的传输子的自发辐射，其中我们考虑了时间延迟效应。我们发现系统动力学在很大程度上取决于与传输线的耦合强度以及原子相对于电磁场的位置，从而导致 Purcell 效应或收敛到具有有限激发概率的暗态。在论文 III 中研究的高阻抗状态下，耦合到高阻抗传输线的传输子的性质发生了剧烈变化。它变得具有高反射性并与镜子一起产生自己的腔体，导致自发辐射动力学中出现腔体模式和真空 Rabi 振荡。
引力场中的量子时间膨胀
根据相对论，理想时钟的读数被解释为沿着它在时空中的经典轨迹所经过的固有时。相反，量子理论允许将许多同时的轨迹与一个量子钟关联起来，每个轨迹都有适当的权重。在这里，我们研究叠加原理如何影响简单时钟（一个衰减的两能级原子）观察到的引力时间膨胀。将这样的原子置于位置叠加中使我们能够分析量子贡献对自发辐射中经典时间膨胀的表现。特别地，我们表明，在引力场中分离波包的相干叠加中制备的原子的发射率不同于这些波包的经典混合中原子的发射率，这引起了量子引力时间膨胀效应。我们证明了这种非经典效应也表现为原子内部能量的分数频率偏移，该偏移在当前原子钟的分辨率范围内。此外，我们还展示了空间相干性对原子发射光谱的影响。