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电路量子电动力学中双线性模式耦合的工程化：理论与实验
摘要： 由超导transmon辅助比特控制的高Q值超导微波腔光子态，为量子信息的编码与操控提供了平台。将该平台扩展至实用化量子计算的关键挑战在于：需按需传递存储在腔体中的量子信息。最新研究表明，通过将双频驱动的超导transmon辅助比特与两个腔模式耦合，可实现可调谐的双线性相互作用，从而实现腔模式中多光子态的交换与干涉[Gao等人，《物理评论X》8卷021073页(2018)]。本文从理论与实验两方面探究了实现快速SWAP门所需的较强辅助比特驱动条件——该条件同时会引发降低SWAP保真度的非微扰效应。我们基于线性响应理论建立了理论框架，通过响应矩阵计算辅助比特诱导的腔模式相互作用速率、衰减及频率偏移。运用Floquet理论突破常规微扰处理方法，发现即便在标准旋转波近似适用范围内，双驱动的干涉仍会显著改变系统动力学。辅助比特上的驱动诱导交流斯塔克位移非平凡地依赖于驱动参数与辅助比特参数，进而改变工程化相互作用的强度。我们确定了由辅助比特退相干导致保真度下降的两大主因：(i) 辅助比特耗散与退相位会引发Floquet态间的非相干跃迁（即使零温下亦存在），该跃迁导致SWAP速率突变从而退相干化SWAP操作；(ii) 通过逆珀塞尔效应，相对高损耗的辅助比特会使腔模式继承有限衰减——当交流斯塔克位移将特定辅助比特跃迁频率推近腔模式频率时，该效应尤为显著。理论预测与实验结果定量吻合，为利用该理论优化未来实验与架构设计奠定了基础。
关键词： 退相干、transmon辅助比特、超导腔、交流斯塔克位移、量子信息、电路量子电动力学、逆珀塞尔效应、双线性模式耦合、SWAP门、弗洛凯理论
更新于2025-09-23 15:23:52
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光学镊子阵列中超冷锶原子的微观控制与检测
摘要： 光学镊子为单原子操控与探测提供了多功能平台。本研究利用光学镊子展示了一套用于微观控制具有两个价电子的锶原子的工具。与镊子技术通常采用的单价电子原子相比，锶具有更复杂的内态结构，包含多种跃迁波长和线宽。我们实现了单原子装载至亚波长尺度光学镊子阵列，并完成了无光频移的窄线宽光学跃迁控制?；诟迷厩ǎ颐鞘迪至巳淙?，并能在亚波长空间尺度上对单原子进行高保真非破坏性成像。这些能力结合锶丰富的内部结构，为基于镊子的计量学、新型量子计算架构以及低熵多体物理新路径开辟了可能。
关键词： 量子信息、原子与分子物理、量子物理
更新于2025-09-23 15:23:52
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光学镊子中的碱土金属原子
摘要： 我们展示了光学镊子中单个碱土金属原子的单次成像与窄线冷却技术，具体以515.2纳米光场捕获的锶原子为例。该方法通过宽单重态跃迁成像光子实现高保真单原子检测，同时利用窄中间能级线进行冷却，并将该技术拓展至具有121个位点的高度均匀二维镊子阵列。成像过程中的冷却基于一种此前未被观测到的窄线西西弗斯机制，我们预测该机制可广泛应用于多种实验场景。此外，我们实现了单个原子在镊子势阱中的光学分辨边带冷却，使其接近运动基态——该镊子通过椭圆偏振调谐至魔幻囚禁构型。最后，我们通过理论计算（与实验结果一致）预测了线性偏振和偏振无关的魔幻交叉波长分别位于520(2)纳米和500.65(50)纳米。这些成果为基于镊控碱土金属原子的新型实验研究开辟了广阔途径，涵盖从原子物理基础实验到量子计算、模拟及计量学等领域。
关键词： 量子信息、原子与分子物理、量子物理
更新于2025-09-23 15:23:52
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嵌入参量放大器中的人工原子的高效测量
摘要： 超导电路测量效率的一个关键限制源于与外部量子放大器耦合时产生的损耗。本研究通过将由transmon量子比特构成的人造原子直接嵌入通量泵浦的约瑟夫森参量放大器中，实现了一种规避该问题的器件。这种配置能在不使量子比特承受显著额外反作用的情况下增强色散测量。通过设计允许高功率运行的电路结构，我们将量子噪声放大与压缩过程中关联的非监测通道信息损失降至最低，从而获得接近最优的反作用水平。该器件通过减轻片外下游损耗的影响，其片上增益实现了高达80%的端到端测量效率。我们的理论模型准确描述了观测到的增益与测量反作用相互作用，并划定了未来改进的参数空间。该器件兼容标准制备与测量技术，为开展基础量子效应和量子控制协议的确定性研究提供了途径。
关键词： 量子信息、凝聚态物理、量子物理
更新于2025-09-23 15:23:52
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仅使用两个副本对两量子比特态进行纠缠的普适检测
摘要： 我们重新探讨了利用最少资源检测未知两量子比特态纠缠特性的问题。通过弱值测量和仅使用任意两量子比特态的两个副本，我们提出了一种方案：在计算基上进行后选择测量即可获得足够信息来判断该态是否处于纠缠态。我们的方案仅需对两个态副本进行单次设置的后选择测量就能实现完整态识别。由此推知，若限制于纯态情形，确定弱值所需的全局相互作用可通过局域操作实现。我们进一步证明，该方案对于弱值测定过程中因不当全局相互作用导致的误差具有鲁棒性。
关键词： 弱值、量子信息、双量子比特态、纠缠检测
更新于2025-09-23 15:22:29
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从噪声量子比特中进行量子参数估计的优化纠缠
摘要： 对于N组分复合量子系统的参数估计，已知可分离制备会导致均方估计误差随1/N缩放，而纠缠制备在某些条件下可实现更小的1/N2缩放误差。然而这种量子超效应对噪声或退相干极为敏感，通常在大N情况下即使存在微量随机噪声也会渐近消失。为补充这一渐近特性分析，本文研究了估计效率如何随纠缠系统尺寸N及其纠缠程度变化。我们针对具有普适意义的量子比特相位估计（同样适用于频率估计）展开研究，将退相干表征为与相位旋转对易的广义噪声（包括退极化、相位翻转和热量子噪声）。在这些通用条件下，推导出量化估计极限效率的量子费希尔信息显式表达式。我们对比了任意尺寸N下最优可分离制备与任意纠缠程度的纠缠制备效率：展示了无噪声时的1/N2超效率，并证明其在任何非零噪声配置下大N时的渐近消失。为最大化估计效率，我们确定了纠缠系统尺寸Nopt的最优值及纠缠程度的最优值。对于非幺正噪声，最大效率通常出现在部分纠缠状态。将N个量子比特分组为Nopt个纠缠量子比特构成的独立?？楹?，在大N情况下可恢复非零效率——该效率可能优于N个最优制备的独立量子比特。此外，纠缠探针中包含的一个非活跃量子比特有时会成为最高效的估计设置。这些结果通过新特性进一步验证了噪声环境下纠缠对量子信息的精妙影响：当纠缠有益时，最大效率并非必然由最大纠缠实现，而是由受控程度和有限最优纠缠量达成。
关键词： 纠缠、量子噪声、量子估计、量子信息
更新于2025-09-23 15:21:21
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石墨烯量子点中前所未有的电荷态控制
摘要： 在双层石墨烯中实现了高质量的双量子点，其电荷控制可精确至单个电子。这些器件为具有长自旋寿命的基于自旋的量子比特提供了有前景的基础。
关键词： 量子点、石墨烯、自旋电子学、量子信息
更新于2025-09-23 15:21:01
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[物理科学文献与读物] 开放量子系统 第20卷（非经典演化的动力学）|| 与量子信息交叉的开放量子系统
摘要： 本章致力于探讨开放系统理论与蓬勃发展的量子信息领域之间的联系。顾名思义，量子信息是指利用量子力学规律完成的信息任务的总称，其范畴涵盖通信、计算及基础信息理论任务。信息论思想渗透整个物理学领域并不断向外延伸。由于涉及以比特或量子比特形式进行信息的编码、传输与解码——这些过程都对周围环境极为敏感——它们为开放系统理论的运用提供了沃土。事实上，本章与下一章正是这一点的明证。
关键词： 量子信息、开放量子系统、量子计算、量子纠错、量子通信
更新于2025-09-23 15:21:01
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等离子体纳米腔中强耦合的拉比振荡研究
摘要： 发射体与等离激元纳米腔之间的强相互作用在室温量子领域具有广泛应用。由于拉比振荡直接证明了强耦合中的能量交换，从时域分析这种相互作用更为直观且必要。本文采用全量子方法给出了高损耗等离激元纳米腔中的拉比振荡现象，并提出了关于模式体积的新强耦合判据，该判据为等离激元纳米腔的纳米加工提供了重要指导。此外，我们揭示了拉比振荡与拉比分裂的关系，这有助于通过频域响应研究发射体-等离激元杂化系统的时域特性。我们设计了一个具有超小模式体积的发射体-六边形杂化系统来验证理论，数值模拟结果与理论预测高度吻合。本研究成果未来可应用于量子信息与量子计算领域。
关键词： 等离子体纳米腔、量子信息、拉比振荡、量子计算、强耦合
更新于2025-09-23 15:21:01
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朝向谷耦合自旋量子比特
摘要： 可扩展物理量子比特的竞逐吸引了众多潜在候选平台。其中，固态形态的自旋量子比特尤为引人注目，因其可能受益于与传统半导体加工相似的工艺流程。然而材料控制是固态自旋量子比特面临的关键挑战——衬底、电介质、电极中的残余自旋或加工过程引入的污染物都会导致自旋退相干。近十年来，由于单层过渡金属二硫化物中谷耦合自旋的发现，谷电子学迎来复兴。这类受反转不对称性和时间反演对称性?；さ墓锐詈献孕型晌冉×孔颖忍氐挠辛蜓≌?。本报告阐述了构建此类量子比特的研究进展：在介绍其制备关键优势后，对各关键步骤的最新进展进行简明综述，重点说明已取得的突破和/或待解决的重要课题。报告最后展望了未来发展方向，着重指出了实现可扩展自旋-谷量子比特所需攻克的主要里程碑。
关键词： 谷电子学、量子比特、量子信息、过渡金属二硫化物、量子点
更新于2025-09-23 15:21:01