捕获离子量子模拟器中纠缠态的测量

第一个网络研讨会是关于在陷阱离子量子模拟器中测量熵和纠缠，由我们的演讲者来自奥地利因斯布鲁克大学的蒂芙尼·布里奇斯(Tiffany Brydges)介绍。我还想强调的是，在蒂芙尼的演讲之后，安多科技公司的产品经理科林·科茨博士将做一个简短的演讲。在这两个演讲的最后，我们会有一个问答环节。

蒂芙尼:伊内斯，谢谢你的精彩介绍。我是来自因斯布鲁克Rainer Blatt团队的Tiff Brydges。因此，因斯布鲁克大学和因斯布鲁克的IQOQI也是如此。这个演讲是关于我在读博士期间所做的工作，我们正在研究如何通过在一个困离子量子模拟器中使用熵来描述纠缠。所以，我试着让更多的人能理解这个演讲，所以，它会从量子模拟和量子信息的基础开始。所以，如果你是这个领域的专家，请稍等，因为它在最后会变得更技术化。希望大多数人都能理解。

我将从量子模拟开始。很多人问我它是否有用。我这样做是否只是因为我喜欢使用捕获离子和激光，玩起来很有趣，或者它确实有一些现实应用。答案是肯定的，它确实在现实世界中有实际应用，希望是在未来。量子模拟和量子计算背后的理念是能够解决经典计算机无法解决的经典问题。这些问题可能是那些需要很长时间才能解决的问题，即使是我们拥有最好的超级计算机。所以，理论上，经典计算机可以解决这个问题，但如果它需要两万年才能解决这个问题，那么它对我们来说就没有多大用处了。

你可以问，“这些问题真的重要吗?我们试图解决或希望在未来通过模拟器或量子计算机解决的任何问题，它们是否适用于现实生活?”是的，因为即使是最基本的化学也很难模拟。使用经典装置，当你开始有很多分子或者一些复杂的相互作用时，这个问题就变得很难用经典方法解决了。所以，如果你可以模拟这些基本的化学反应，你可以让很多过程看起来更节能，例如，在生产化肥时使用氨和类似的东西。所以，我想说，它在很多领域都很有潜力。。

然后，你可能会问，“好吧，我是想要量子计算机，还是想要量子模拟器，它们之间有什么区别?”这和古典世界很相似。所以，量子计算机有点类似于你的笔记本电脑。你给它一个问题，它会计算出答案然后把答案给你。在模拟器中，情况会有所不同。它更像是一个风洞。如果你在研究飞机周围的空气动力学和空气动力流动，你可能无法精确地解决这个问题。例如，风洞并不能完全解决这个问题，但它模拟了环境。这和我们正在研究的量子模拟器非常相似。这是一样的事情。

所以，我们正在使用一个小尺度的量子系统，以模仿我们感兴趣的更大的量子系统的特性。小尺度量子系统的优势在于我们可以逐个粒子探测动力学和状态，因为在设计这些东西的理想情况下，我们应该对量子模拟器的所有部分都有最优的控制。我们可以深入了解更复杂系统的运作方式，这是我们目前无法用经典计算技术做到的。这些计算机和模拟器比经典的模拟物更有优势的原因是它们必须能够在系统中产生大量的纠缠。但是我们稍后会回到这个问题上来。

那么，量子模拟器是什么样子的呢?有很多不同的平台，比如超导量子比特，你可能听说过谷歌和IBM，谷歌宣称量子霸权，我想几年前，IBM还在反对这一点。还有被捕获的离子，还有原子和光学晶格。因斯布鲁克大学也对这三个平台进行了调查。但我要讲的是俘获离子因为这是我参与的领域，也是Rainer Blatt的主要研究方向。我将介绍量子信息的一些基础知识，然后是用于量子模拟器的实验设置。然后我会再讨论一下纠缠。

我已经提到过，要获得与经典类似物相比的优势，你需要能够在量子系统中产生大量的纠缠。所以，要做到这一点，我们需要能够描述现在有多少纠缠。。那么，我们如何描述它，然后概述了一个新的协议，它使用熵和纠缠之间的关系来描述它。然后，最后，我会给你们展示在我们的系统中10和20离子链上实施这个协议的一些结果。

我们来看看基础知识。在经典计算中，我们有基本的信息单位，即0或1。例如，这可以用电压来表示。你可以说0是0伏，1是5伏。这是一种很常见的做法。你的电脑或笔记本电脑会处理这些比特的长串，就像这样。然后，这有一个量子类比物，也就是量子比特或者量子位，这也是0和1。但最酷的是，状态可以存在于0和1的任意叠加态中。所以，你可以有大量的0和少量的1。或者在这里，我已经展示了一个0和1相等的状态。 It is not constrained just to be in 0 or in 1.

你可能会问，“好吧，我用一个经典的位来表示0和1作为电压。量子位的0和1可能对应什么?”例如，你可以用一个原子，然后说这个原子的基态是0或者自旋向下的状态。激发态，原子是1或自旋向上的状态。然后，你可以用激光在这两者之间移动。所以，你带着激光进来，把原子移到激发态。。观察这一现象的一个有效方法是观察布洛赫球体的表面。这是一个很好的几何表示方法。所以，南极是0，北极是1。。

然后这个向量，也就是你感兴趣的状态，就是这个绿色箭头。这里，我们可以从0开始。然后，你带着你的激光把状态旋转一圈，直到1。如果你在布洛赫球体的表面，就像我们在这里，那么你就处于纯净状态。你也可以存在于布洛赫球体内。通常情况下，当你开始时的纯状态和环境之间发生不必要的相互作用时，就会发生这种情况，然后你就会在所谓的混合状态中结束，这是在布洛赫球体内。所以，一个非常有用的方式，来表示你的状态是通过所谓的密度矩阵。

我把左边最后一张幻灯片上的内容留了下来，作为参考。。然后，密度矩阵通常用符号表示，在这里，它被给出了这个奇怪的数学符号。如果你没有遵循这一点，不要担心。但对于那些真正理解它的人来说，它可能会给正在发生的事情提供更多的背景。但重要的是，如果你知道包含了状态的所有信息。是你想知道的关于量子系统的状态，这是你想要得到的。。这就是我们稍后要讨论的关于这个协议的内容，用熵和纠缠来找出有关的信息。

最后，我们有纠缠。这是爱因斯坦不喜欢的，他称之为“幽灵般的超距作用”，非常有名。如果你有两个纠缠的粒子，那么它们的测量结果总是相关的。如果它们纠缠在一起，结果总是。它们的自旋结果总是相反的，如果你对其中一个进行测量你发现它处于向上的状态，那么你马上就知道另一个处于向下的状态。所以，这些测量总是相关的。

那么，现在，我将继续我正在使用的实验。我之前已经提到过了。现在，我们有一个离子而不是原子，因为我研究的是被困离子。它处于向下的状态，你用激光把它提升到激发态。这就是我们通常用的0和1。在布拉特组中，在我们使用的特定实验中，钙是一种很好的离子，它有一个非常简单的结构。所以，在这里，向下的状态或0状态是离子的基态，这是S1/2状态。然后，这里还有D5/2的状态。这是激发态，所以这是1。

你可以用一个729纳米的激光在这两者之间进行耦合，我们称之为量子比特激光。然后，你可能会问，“好吧，那么，我现在如何检测我所处的状态?”对于一个经典的位，你可能会假设你可以用一个电压表来计算电压。“我如何对我的量子比特做同样的事情?”我们用397的激光来做这个转变。如果你在S态当你用激光照射时，你的离子会在这个转变中疯狂地荧光，你会在相机上看到它非常非常亮。如果你在D态，激发态在这里，你根本就不会发出荧光，所以你一直是黑暗的。这是我们在底部拍的一张照片。它只是陷阱中的一长串离子，所有的离子都处于S态，因为所有的离子都在荧光。

这里很酷。我刚用手机拍了这段视频。这是摄像机上实时闪烁的离子。我用量子比特激光驱动它们把它们从S态带到D态，然后再回来。这就是为什么你看到它们闪烁。这是非常非常酷的，能够在实验室的摄像机上看到这些，能够看到离子。我永远都无法释怀。很好。到目前为止，我已经讨论了离子，但我还没有真正提到陷阱。我们使用线性保罗陷阱。 This thing is a couple of inches in length, I think that is about six or seven centimetres, and it has four radio-frequency blade electrodes.

一个在这里，一个在后面。然后，上面还有一个，然后，后面还有一个。这些振荡在一个射频频率的正电压和负电压之间，大约在29兆赫。然后，我们还有两个直流电极。它们被保持在恒定的电压下，这就提供了沿轴向的限制，沿着陷阱的尖端。这就产生了一个随时间变化的鞍势。这里我有另一个小视频。这个旋转了90度。在这个图中，有直流电极。一个来自上面，另一个来自下面。 And this is the potential that is formed by those blade electrodes.

所以，如果它完全不在正负之间振荡，中间的离子就会把电势往下滚动，现在如果它在振荡，它就改变了。一旦滚动到下面，它就会改变，等等。所以，你的离子只是在陷阱的中间做了很小的振荡。然后，它不能向这个方向或这个方向逃逸因为这样，就有这些直流电极提供限制。所以，你最终得到的是一根漂亮的、长长的、线性的弦，在离子阱的中间。然后，我们用729纳米激光来处理离子，就像我之前提到的，但是我们有很多这样的激光。所以，这是相同的激光，但我们把它分成几个不同的路径，这取决于我们想做什么。

所以，我们有一个非常非常宽的光束，我们称之为全球光束。它同时处理所有的离子并对它们进行相同的操作。但我们也有单线寻址束，它非常非常窄，一次只能寻址一个离子。所以，如果你有一个20个离子链，都处于基态，你想让7号离子进入激发态，你可以用寻址束来定位它，这是一个非常强大的工具，这是一个很好的系统。现在，我要继续讲我们如何设计系统中的动力学，我们如何设计纠缠动力学。所以，到目前为止，我只讨论了电子状态，离子的状态。

所以，当我们处于基态和激发态时，我用一个下箭头和一个上箭头来表示。我们现在也有了一个额外的自由度，这要感谢陷阱，也就是离子的运动状态。所以，如果你处于0运动状态，离子就在陷阱的中心，它根本不动。但是你可以放入一个量子的能量。这有点像如果你有一个钟摆，它不动，然后你去扰动钟摆，它就会前后摆动。离子可以做一个非常非常相似的运动。你可以把一个光子写进系统，它做这个运动。或者你可以在系统中加入更多的光子，在这种情况下，它会以更大的振幅摆动。

这样做。所以，这里，我们有Ћω0就相当于我们的729纳米激光器。我们只是让激光失谐一个量加上Δω，它与这个跃迁共振来激发离子。我们把它激发到激发态，然后把一个光子写进去。同样地，如果我们处于基态。一个向下的状态，抱歉，是这里的电子自由度系统中有一个光子，我们可以用红色边带跃迁把这个光子带出系统。现在，这些跃迁可以通过使用Mølmer-Sørensen门或MS门或相互作用来实现纠缠动力学。

这可以理解为。所以，我在这里只做了两个离子，但是你可以把它推广到一个离子串。这张图就变得非常非常混乱了。所以这里，我们有两个离子并排在一起，它们都处于电子基态。我说，“好吧，他们处在地狱般的系统状态。”这个可以是0，也可以是100，都无所谓。所以我说，好吧，我现在带着两束光同时进来，其中一束与蓝色边带跃迁共振，另一束与红色边带跃迁共振。我说，左边的离子吸收了蓝色边带跃迁的光子，然后右边的离子吸收了红色边带跃迁的光子。你最终会从向下到向上。

但是你可以说，“好吧，第一个离子可能先吸收了一个红色边带跃迁光子，这没关系。同样地，因为对称，右边的离子可能先反应，所以，你就得到了这幅图。所以，就像我刚才说的，当所有事情都是共振的时候，如果你中途停止这些动态，你会发现你会有……有些状态是下-下，有些是上-下，下-上，还有一些是上-上。只是很乱，对你没有任何帮助。但是现在，如果你要调远这个转变，从蓝色边带转变和红色边带转变调远相同的量…如果你调整你的激光，你会发现整体共振仍然存在。

所以，你还是从下到上，但是填充这些上到下和下到上的能级的概率变得非常非常小。所以，如果你中途停止这个过程，你最终得到的是，两个离子的状态一部分是向下的，一部分是向上的，但实际上没有人口是上下和上下的。这就是最大纠缠钟态……最大纠缠钟态之一。所以，现在，你已经创造了一个纠缠门，一个纠缠相互作用。这是我们在系统中使用的基础。这就是它的哈密顿函数。所以，这是Mølmer-Sørensen相互作用的部分，你有一个ΣX/ΣX，这就像一个旋转从下到上，另一个也必须从下到上。你只能有这些成对的旋转翻转。或者类似地，如果你从上到下，你会翻转到下到上。

我们所做的就是…非常相似，但是我们在这里有一个额外的项，实际上我们只是通过使激光再失谐一个额外的量来实现。实现起来很简单。如果你把它做得非常非常大……我们经常这样做，这是一件很好的事情。你不太可能从低落到向上发生。你通常会从上到下到上，反之亦然。这有很多好处，但最主要的是如果你从一个10离子链开始，比如，你有5个激发态离子和5个非激发态离子，然后你应用相互作用，你知道系统中的激发态数量一定是守恒的。在动力学之后，还剩下5个激发态。

所以，如果你没有剩下五个激发态，你就知道有什么地方出了很大很大的问题，你需要修复它，弄清楚发生了什么。这对我们很有帮助。实际上，我们在系统中这样做。所以，我们有一束同时包含红色和蓝色边带频率的波束，有一点失谐，同时进来。我们用我们的广谱光束来做这件事，所以它同时消除了所有的离子。它的耦合强度是JIJ，所以，你的光束功率越大，耦合就越强，你的动力就会越快。

动力学本身是这样的。所以，在上面，有一个14离子链，所以，所有蓝色的都是向下的。这些都是…7个离子是向下的。然后中间的一个是向上的，所以是膨胀态。然后，所有这些离子都是向下的。然后，伊辛哈密顿函数被打开。在这种激发下，它在系统中翻转，某种程度上有点像波。如果你有一个更有趣的初始状态你就可以得到更有趣的动力学。所以，这里，我们有Néel态，所有的奇离子都处于激发态，1、3、5。 And all the even ions start in the down, the unexcited state.

然后，当我们打开哈密顿量，这些激发开始扩散，它变得非常靠近这里。它们相互干扰，你可以看到，你对这个离子产生了非常大的激发。这里，几乎没有激发。经过几毫秒的进化之后…举个例子，在这一点，你会发现有趣的现象，纠缠态开始形成，如果你像我们一样试图建立一个量子模拟器，这是很好的。这就是实验室本身的样子。所以，这张桌子上都是用来冷却的激光。这张桌子上有量子比特激光器。陷阱本身就装在这里。

所以，这就是你能看到的真空室，陷阱在它的中间，所以，它保持在10-10的真空下。然后，它周围的金属屏蔽，有助于防止磁场之类的任何波动。所以，现在，我要稍微改变一下，继续通过使用所谓的二阶Rényi熵来描述纠缠。所以，我之前提到过，为了建立一个真实的量子模拟器，我们的系统中不会有大量的纠缠。现在，我们怎么知道系统中发生了什么?现在，只有不到20个离子，你可以很简单地模拟这个过程。但这有点违背了建造量子模拟器的全部意义。

你不想在一个你可以模拟经典的状态，你想去更有趣的状态。那么，你怎么知道你的模拟器是按照你期望的那样运行的并且它为你做了正确的计算呢?所以，你想要描述一些能帮助你理解模拟器中发生了什么的量。其中之一就是很明显地描述了这里有多少纠缠。有几种方法可以做到这一点，量子态断层扫描是一种非常强大的方法，它可以重建整个密度矩阵。所以，如果你知道了，你不仅知道了系统中纠缠的情况，你还知道了关于状态的一切。

所以，这很好，除了它在几个量子位上的伸缩性非常非常差。因此，在大约8个量子比特以上，实际实现几乎是不可行的，而8个量子比特很容易用经典计算机模拟。我可以在几秒钟内，用我的笔记本电脑模拟一下。所以，这对我们帮助不大。你可以用有效的层析成像方法，这是对集合层析成像的扩展。这很好，因为它可以用于大量的量子比特，所以，14到20个量子比特，但它只适用于弱纠缠态，这是一个限制因素，有两个原因。

这意味着，第一，你抛出了大量的可能的状态，这可能很有趣。第二，这意味着你必须知道你一开始就只能处理弱纠缠态。理想情况下，你不想知道任何关于你将要准备的状态。这就是你想让模拟器告诉你的。所以，有了这个，你真的需要知道，你只能制造弱纠缠态，才能让它工作得很好。我们希望我们可以在许多量子位上使用一些东西，但我们不需要知道我们正在准备的状态。这就是测量二阶Renyi熵的地方因为之前的协议在2016年使用了这个，它使用了两个相同的系统副本。

他们用光学晶格来做这个，所以，原子和光学晶格。他们有两个，并排，他们对这两个相同的副本进行了集体测量。它很好，因为它没有对系统做任何假设，而且它的可伸缩性很好。但它要求你有两个光学晶格并排，这对于被困离子来说，是不可行的。你不希望有多个离子阱并排在一起。所以，这促使我们考虑使用熵，但不需要有两个系统副本。

首先，这个熵是什么?左边是二阶熵，右边是-log2Tr(ρ)2。由于这个Tr(ρ)2项，它非常强大。因为依赖于的非线性，你没有重构系统的完整状态，你没有重构。相反，你所做的是从系统中得到重要的，有用的信息，这意味着你需要更少的测量就能得到。但它仍然是用来描述系统特征的有用信息。

这里有一点术语。所以，Tr(ρ)2也叫做纯度，我稍后会用到它。所以熵只与纯度的-log2次方有关。所以，你可能会想，“好的，很好。我们可以得到这个熵，但我们为什么要关心这个呢?这对我们解决纠缠有什么帮助呢?”这两者之间有一个非常非常好的联系。如果你认为这是一个离子链，看看它们的前五个……我们称它为子系统A，那么你可以证明，如果子系统的熵大于整个系统的熵，那么子系统A和系统其他部分之间存在的二部纠缠。

这是非常强大的，因为这意味着如果你能测量熵，那么你就能得到系统中纠缠的信息。现在我们有了在系统中产生纠缠的条件。我们需要测量子系统的熵大于整个系统的熵。这就是新协议的用武之地。所以，这个协议是基于局部随机单位的。所以，请耐心听我说一下。从这个局部酉元集合中抽取酉元。当我第一次听到的时候，这对我来说毫无意义，所以，我会试着解释我现在的理解。这意味着，这些单位是从集合中随机抽取的，所以如果你开始…如果纯粹的状态… For example, let us start in the 0 So, at the South Pole of the pure Bloch sphere, which is here, given in blue.

然后，你将被随机轮换…如果你在单位上随机画，那么你将在布洛赫球表面上以相等的概率随机旋转。同样地，如果你从一个混合的状态开始，这里的红色球体，你会被随机旋转到任何其他地方在这个缩小的布洛赫球体表面上有相同的概率。协议的作用是…这很简单。它只是把这些局部随机单位作用到每个离子上。所以，你随机画u1到单位，它会随机旋转离子。同样地，u2会旋转离子2，一直到uN, uN会旋转离子n，但重要的是要以相同的概率将它旋转到球体表面的任何其他地方。

为什么会这样?如果你只考虑一个离子或一个量子比特，你可以得到一点物理上的理解。想象一下，你又准备了S, S态，基态。然后随机旋转，然后测量σz。这意味着你要测量的是离子。它是亮的还是暗的?你用397激光照射，看它是否荧光。然后，在基态0下再次进行准备然后进行不同的随机旋转，然后进行测量。然后，这样做很多很多次，一遍又一遍。你能做的是，你可以用布洛赫因子的长度来表示状态。

如果你追踪Tr(ρ)2的平方，然后假设它确实以相等的概率旋转到球体表面的任何其他地方，你可以得到Tr(ρ)2，也就是纯度，和σz测量结果之间的关系。所以，如果σz和纯度之间有关系，那么σz和Rényi熵之间自然也有关系。对于那些了解断层摄影术的人来说，你可能会说，“好吧，但这有点疯狂。如果我只有一个量子比特，我可以对它进行三次测量，然后我基本上可以重建。”你是对的。仅仅用一个量子比特来做这个协议是疯狂的。这不是它设计的目的，它是为几十个离子设计的。这就是它变得强大的地方，这就是规模真正提高的地方。

所以，协议本身，是由因斯布鲁克的彼得·佐勒小组的安德烈亚斯·埃尔本和伯努瓦·维默施设计的。你只需要应用这些随机旋转。所以，你准备好你感兴趣的状态，然后你依次对每个离子进行这些随机旋转。然后你会得到这个可怕的表达式。左边，熵是-log2。在这里，它被称为x拔，但那以前是纯度或Tr(ρ)2。而X本身，X拔就是X除以单位项的平均值，X由这个可怕的表达式给出。你可以忽略这一点和这一点因为它实际上是比例因子。重要的部分在这里。这就是测量结果之间的统计交叉相关性所包含的信息。

这意味着它在问这样一个问题，“如果离子2向下，离子5是否总是向上?”或者，“如果离子3在0.4，离子9总是在0.7吗?”它考察了结果和平均值之间的所有相关性，然后它给出了下面这个熵。如果我们有熵，就会有纠缠。所以，为了在实验中实际实现这一点，我们准备了Néel状态，这是上下，上下，上下。然后，我们在哈密顿公式下发展它，τ的不同时间步长。然后我们把这些随机的局部酉值应用到每个离子上，然后我们做了σz的测量，我们问它是亮的还是暗的。然后，我们重复了500次。每一次，我们都改变了我们应用的局部单位，所以，完全随机化了它们。

现在，我的结果。左边是纯度，右边是Rényi熵。这是我们第一次看到的10离子链。所以，你可以看到，如果我们从左边开始…零毫秒的时间演变用紫色表示，这意味着我们刚刚准备了Néel状态。然后，我们做了协议，我们在上面做了随机旋转。现在，对于Néel状态，它是一个积态，所以，系统中不应该有纠缠。如果我们观察0毫秒的Rényi熵，我们会看到子系统的熵和整个10离子系统的熵大致相同，这就是我们所期望的产物状态。

当你看5毫秒的时间时，它变得更有趣了。如你所见，子系统的熵比整个系统的熵大得多。如果我们记得前几张幻灯片，如果子系统的熵大于整个系统的熵，你就知道系统中存在二部纠缠。我们看了所有的子系统在5毫秒内在10离子链上。所以，在这里，所有的单离子子系统都是离子1，然后离子2，然后离子3，等等。所以，所有子系统的排列和这里的线在平均值以下3Σ，虚线在10离子熵以上3Σ。

您看不到任何重叠，这意味着在3Σ中，系统中的所有双分区之间存在纠缠。最后，我们决定研究20离子链。所以，不幸的是，在那个时候，我们的单离子寻址不是很好。我们不能把它全部应用到20个离子上。所以，我们准备了20个Néel状态的离子，在哈密顿量下进化这20个离子，然后将该协议应用于10个中间离子。从离子6到离子15。但是这次我们用的时间长了一点，我们把时间延长到了10毫秒。你可以看到这是一个低熵。最初的Néel状态正在演变成非常高熵的部分。这与系统中高度纠缠态的形成是一致的。

我现在就要讲到最后了。这是Blatt小组，突出了对这个研究有贡献的人，Benoit和Andreas。非常感谢大家的关注。谢谢伊内斯。我会把你交给伊内斯和科林。

伊内斯:蒂芙尼，非常感谢你的精彩而深刻的演讲。

Colin:谢谢你，Ines，谢谢你，Tiffany，非常感谢你精彩的演讲。我将给出一个简短的，高水平的概述，一些探测器的解决方案，安多在量子光学的保护伞。现在，量子光学是一个相当广泛的范围，所以，我选择的方法只是选择一些不同的相当流行的光学系统类型，量子光学中的光学实验设置，从探测器的角度概述挑战，然后陈述我们的建议，我们的量子光学解决方案。

所以，我选择的第一个是你想成像纠缠光子对的地方。现在，蒂凡尼已经很好地定义了什么是纠缠光子对，所以，没有必要再讲一遍。但是这种类型的系统是一个双光子纠缠对，你可以在同一个成像探测器上检测相关对的每个光子。因此，有几个关键的要求，这很大程度上关系到，最终的通量或实验的测量通量，在某些情况下，这可能需要花费数年的时间来完成。但通常我们等不了多少年了，所以我们想找到多路复用的方法，让这些事情尽快进行。

所以，有很多事情会影响到这一点。当你看到一个事件时，你知道它来自光子，而不是来自探测器本身的黑暗背景事件。因此，关键是能够捕获和区分具有良好统计置信度的空间相关光子对。是的，当然，快速计数也是需要的，以完成这些简洁的实验，并在实验结束时建立有用的图像。有时候你确实需要做很多次迭代，所以快速计数也会大大加快测量过程。你为什么想做这个，除了…除了纯粹的基础量子物理研究之外?在现实世界中也有潜在的分配。首先，你可以使用纠缠光子的量子成像方法来获得更好的信噪比。这是Miles Padgett团队最近的一个很好的例子。

你也可以使用量子纠缠光子的方法来提高分辨率。所以，除此之外，遵循这种类型的量子路径还有几个关键的潜在的现实世界的好处。因此，市场上多年来久经考验的推荐解决方案是在户外使用电倍增CCD -安多的iXon Ultra EMCCD是我们的重点推荐。EMCCD是一种能记录单个光子事件的信号放大技术。要做单光子计数实验，你需要一种非常非常灵敏的技术。这很好，因为它结合了单光子灵敏度和所谓的反向照明，这意味着它可以收集超过90%的入射光子。所以，你浪费了很少的光子入射到探测器上你记录为事件。

基本上，使用成像阵列方法作为探测器而不是单点探测器的另一个好处是在计数时获得了大量的多路复用优势——仅仅是因为您应该使用百万像素阵列而不是单点。所以，这个黑客可以自己测量你的数据，从几年到几个小时。即使探测器是单光子敏感的，探测器中还有其他潜在的噪声源，被称为暗电流和时钟诱导电荷。它们被放大的原理和我们放大光子的原理是一样的。

我们必须非常小心地在EMCCD摄像机中做一些事情，以确保这些噪声源被尽可能地降低，降低到一个很小的百分比，如果你看到一个来自黑暗事件的事件，我们想要知道一个非常好的保证，这些事件来自光子-这对建立统计可信度很重要。我提到了计数率。所以，从技术上讲，emccd的全分辨率是每秒几十帧或50帧。但是一旦你开始把它们分成更小的感兴趣的区域，当然，你可以每秒访问数百帧。这基本上就定义了光子对的计数速率。

然后，对于这种特殊类型的系统的另一个方面，当你观察这些相关值光子时，它们可以在空间上出现，在阵列上彼此非常非常接近，可能相隔一两个像素。所以，我们必须非常小心图像的一些微妙之处，当你有一个事件时，一个光子在一个像素上，电荷有一种机制，可以扩散到相邻的像素上。如果你试图检测相邻像素中的实际事件，这显然是一件坏事。所以，我们必须格外注意，以确保……在探测器读数期间，电荷在相邻像素间扩散的概率非常非常小。

这就是我们为什么推荐检测器的一个快速总结。显然还有很多细节，但希望这能给你一个合理的想法。我想介绍的另一种纠缠光子系统是量子鬼成像。蒂芙尼已经提出了“超距幽灵作用”这个术语，这是爱因斯坦的术语。这几乎就是我们在这些类型的系统中看到的情况，在这些系统中，你会有一个纠缠的光子对，但将它发送到完全不同的方向。只有一个光子会进入成像阵列，另一个会指向和归属非常不同的波长。另一种是用一个物体引导光子，然后被所谓的预告探测器探测到，通常是单点探测器。

但是单点探测器会告诉成像探测器，“是的，准备好接收来自我同卵双胞胎的事件吧，”如果你愿意的话。这就是发生的事情。所以，这基本上意味着有一种机制可以在一个物体的成像探测器上建立一个图像，那些朝那个方向运动的光子从来没有遇到过自己。这就是机理。由于这种时间同步能力，探测器必须有一种额外类型的技术，使时间同步与非常短的关闭时间。

在我继续之前，我应该说，这个潜在的现实应用可以是，例如，当你想要询问一个物体时，比如说，用红外波长来检测不可分割。这可能是部署这种鬼成像系统的一种实际方法。所以，我们推荐的探测器类型是强化相机。因此，这可以应用于CCD或所谓的科学CMOS技术。但基本上，它是不同的，因为它有一个额外的前端，是一个快速关闭系统。所以，我们没有时间详细介绍这涉及到什么，但它基本上能够关闭到大约两纳秒。所以，那定义了光学快门时间，然后你可以将它同步到预告检测器。

所以，这意味着你在时间域和空间域都得到了精确的相关性测量。然后，当然，再一次，你希望光子检测的统计置信度尽可能高。但这项技术中也存在单像素事件的潜在来源，这次不叫时钟诱导充电。它被称为EBI，等效背景光源。但也有一些机制可以通过冷却来减少假阳性的来源。那么，继续下一个挑战量子气体和被困离子是一个普遍的领域，这是一个非常广泛的领域。

但我注意到，这些年来，我们的探测器反复被问到的一些问题……首先，它们通常能够在很宽的波长范围内进行非常非常宽的光谱响应。这更多地介绍了在探测器中使用的灵活性，我们可以用它们来做镱离子，直到70纳米的铷吸收实验。从紫外线到红外线。然后，这取决于系统，但人们要么用，比如说两边都凝聚，他们经常用吸收成像。这样做的好处是，它为他们提供了原子云内部的整个密度分布信息。有时，就像我们刚刚从蒂芙尼的演讲中听到的那样，可能只涉及很少的原子或离子。荧光是一种更有效的模块或方法，可以在如此少量的情况下询问这些被捕获的物种。

但是，当然，使用荧光，你就没有那么大的空间来获取局部密度分布的信息。所以，这些方法通常被认为是互补的，吸收和成像通常可以结合起来。通常情况下，需要快速动态。这取决于实验系统的类型。但很多时候，我们都在寻找变化，时间分辨率在毫秒甚至微秒的时间范围内。让我们用吸收荧光来分解它。吸收，首先，最常见的用于吸收的CCD类型，如果你只使用吸收，是一个CCD，一个简单的，慢扫描，深冷却的CCD。

再一次，好处是至少有一天你可以得到能很好地延伸到新的红外线和硬紫外线的ccd。它们有非常非常广泛的机制来提供非常非常广泛的光谱响应。所以，这对于铷吸收成像之类的事情来说不是很好，它使用780个9毫米的激光。你可以使用所谓的深度衰竭型CCD。实际上有一种方法，即使这些是相对缓慢的读取技术，有一种方法可以进行即时爆发动态，这意味着你用动态信息填充传感器本身，然后慢慢地读取它。通过这样做，你可以很容易地得到微秒和毫秒级别的动力学。

对于荧光应用，它回到了我们之前谈到的探测器万博电脑网页版登录，iXon Ultra EMCCD。这是一种出色的微光荧光成像探测器。我们这里有一个例子，一个MOT里面有很多离散的原子它们进入和离开陷阱。当然，我们也有被困离子线的完美例子。你可以想象，这些都是非常非常弱的光线条件下我们有光子，任何给定的曝光时间都来自这些成像的离子。

所以，最后，在量子光学的范畴内，我想要接触一些实验，来描述所谓的量子材料或量子成像仪。我在这里给出的例子可以是氮空位中心，量子点，甚至是任何类型的量子光源的发展。通常，光谱学被用作这类表征的一种方式。对于发光，光谱学是你们将会联想到的关键工作。这是一个典型的实验布局。你会注意到一些事情，这里有一个光谱仪用于光谱色散，还有一个探测器和一个光谱探测器。

这个系统里有一个低温恒温器，因为通常，很多实验都是在低温下进行的。所以，解决方案的类型(我们真的没有时间把所有的安多光谱解决方案都讲一遍)但有相当大的一种，从这里的布局可以看到。这是值得一讲的。我们的网站有一个部分是完全致力于光谱解决方案(https://andor.oxinst.com/products/spectrographs-solutions)。值得一看，因为它相当深入和广泛。最后，如你所知，Andor是牛津仪器公司的一部分，生产光学低温恒温器系列。狗万正网地址你可以在这里看到一个叫做Optistat的例子，底部是光学部分。

伊内斯:是的。非常感谢蒂芙尼和科林，再次感谢你们精彩的演讲。我想我还想再提一下，因为你在之前的幻灯片上展示过，Colin, iXon Ultra EMCCD，所以，用。举个例子，这也是蒂芙尼小组在实验中使用的相机。好了，我们来总结一下。现在我想回答一些问题。也有一些不错的。我们先问蒂芙尼一个问题。

你的协议如何随着你想确定的子系统的大小而扩展?”

蒂芙尼:好吧，我觉得这是个好问题。所以，我要从Colin那里偷回屏幕，抱歉，因为我有。它更容易在幻灯片上展示，因为它很丑。这就是它如何随着你感兴趣的子系统的大小而变化。这是子系统，它从0.2到0.8 NA。然后，7.7实际上是一个常数比例因子，在它的前面。这很有趣，因为对于纠缠纯态，比例实际上可以更好，它可以下降到0.6 NA左右。对于更多的可分离状态，它的比例会更差一些。

伊妮丝:好的，谢谢你，蒂芙尼。然后我再问你一个问题。你知道有什么实验协议不依赖于量子态断层扫描而且能够测量冯·诺依曼熵而不是雷尼熵吗?

蒂凡尼:我记得去年物理研究所发表了一篇论文。他们提出了一个可以测量冯·诺依曼熵的方案，所以，不是通过随机旋转，而是通过其他方法。但有趣的是，我提到的Renyi熵实际上是众多熵中的一个。所以，这些Renyi熵有一个很大的谱。我们看了二阶方程。当它达到一阶熵的极限时它实际上就变成了冯·诺依曼熵。所以，冯·诺依曼熵实际上是一个Renyi熵的极限，这很有趣。

Ines: Colin，探测器可以用来测量充满激发混合气体的真空室中的光学等离子体成像吗?

科林:是的，等离子体成像最常见的探测器类型是我们在鬼成像的背景下展示的强化摄像机。所以，可以肯定的是，这些类型的强化探测器用于快速等离子体成像。

伊妮斯:好的，谢谢你，科林。我还有最后一个问题要问蒂芙尼。“系统中的熵无聊会包含被丢弃的有用信息吗?”

我认为熵是一种有用的信息。所以，通过测量…我们进行测量并提取关于所有子系统和门户系统的信息。然后，通过观察某些子系统的熵是否更高，你就可以从中推断出存在和纠缠。我们并不一定要扔掉东西或者用更高的熵来推断系统的信息。

Ines:“你的协议是否有可能测量没有空间连接的离子的熵?”它说，例如，密度矩阵的Renyi熵?

所以，这个问题的答案是肯定的。这些都是非常非常神的问题。是的，在这片土地上，这就是你所看到的。举个例子，你已经给出了一个两肘系统的例子。这里，我们有所有的两肘系统，所以，1和2,1和8,2和8，诸如此类。所以，这就是那些降低密度的测量结果。所有子系统的所有排列。