Challenges
Datasets
Workspaces
Papers
Discussions
Leaderboard
Log inSign up
Challenges
Datasets
Workspaces
Papers
Discussions
Leaderboard
Blog
Job Board
Q3AS

© 2026 Aqora Quantum S.A.S.

TermsPrivacyLegal Notice

Acta Physica Sinica

All-optical robust generation of two-excitation Bell states in a two-atom system

Yu Guo, LU Gengbiao, FAN Libao

Published Jan 1, 2026• 1 citation
Publisher

Abstract

高保真纠缠态制备是量子信息处理中的关键问题. 本文研究了具有偶极-偶极相互作用的双原子系统中双激发Bell态的全光学解析与鲁棒制备. 在集体态表象下, 体系动力学限制在级联三态子空间内. 通过Morris-Shore(MS) 变换, 可将原三态系统约化为由亮态与对称态构成的有效二态子空间以及一个解耦暗态. 在此基础上, 通过求解MS空间中的传播算符并将其映射回原三态空间, 解析得到了实现目标Bell态制备的脉冲面积条件. 数值结果表明, 虽然不同脉冲面积条件均可实现目标态的高保真制备, 但其制备过程中对应的动力学演化路径及中间态参与机制存在显著差异. 进一步地, 针对单脉冲对方案对脉冲面积误差敏感的问题, 本文提出一种复合脉冲对方案, 将原三态系统中的鲁棒制备转化为有效二态系统中的鲁棒旋转, 从而利用二态系统中的复合脉冲序列对原三态系统中的控制误差进行系统抑制. 结果表明, 该方案能够显著提高目标态制备对脉冲面积误差的鲁棒性; 同时, 复合脉冲对增强的是整体抗误差能力, 而不会改变不同演化路径之间固有的鲁棒性差异. 本文为双激发Bell态的高保真、抗误差全光学制备提供了一种解析可控的理论方案.

DOI
10.7498/aps.75.20260481

Related papers

Analytical and robust generation of two-excitation entangled states in a driven two-atom system

Li‐Bao Fan, Gengbiao Lu, Xiaobing Luo +1 more

Abstract We propose a high-fidelity and robust scheme for generating two-excitation Bell entangled states in a driven system of two dipole-dipole coupled two-level atoms. By exploiting the cascade structure of the collective states and applying a Morris-Shore transformation, the dynamics is reduced to an effective two-level system, enabling an analytical derivation of pulse area conditions for deterministic entanglement generation. The protocol is implemented in two sequential stages, allowing complete population transfer from the ground state to the maximally coherent superposition of the zero- and double-excitation states. To enhance robustness against pulse area and detuning errors, we replace single pulse pairs with composite pulse sequences featuring tailored phase patterns. Numerical simulations demonstrate substantial enlargement of high-fidelity regions, with different phase sequences providing different robustness profiles against pulse area and detuning errors. Our results provide a simple and analytically tractable route toward robust entanglement generation in driven atomic platforms.

Chinese Physics B•May 20, 2026•0 citations

Generation of optical Schrödinger ‘cat’ and entangled states using intense laser-atom interactions

Theocharis Lamprou

Η αλληλεπίδραση των ατόμων με ισχυρούς παλμούς λέιζερ οδηγεί στη δημιουργία υψηλών αρμονικών, όπου τα χαμηλής συχνότητας φωτόνια ενός πεδίου λέιζερ μετατρέπονται σε φωτόνια υψηλότερων συχνοτήτων. Η διαδικασία αυτή είναι μια από τις πιο θεμελιώδεις διαδικασίες στη φυσική των ισχυρών λέιζερ. Έχει χρησιμοποιηθεί σε πολυάριθμα συναρπαστικά επιτεύγματα στην ατομική, μοριακή και οπτική φυσική και αποτελεί τον πυρήνα της επιστήμης των αττοδευτερολέπτων. Μέχρι πρόσφατα, η διαδικασία της Υψηλής Αρμονικής Παραγωγής περιγραφόταν επιτυχώς με κλασικές ή ημι-κλασικές προσεγγίσεις ισχυρού πεδίου, οι οποίες αντιμετωπίζουν το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο κλασικά. Αυτό άλλαξε πρόσφατα. Στις πρόσφατες θεωρητικές και πειραματικές έρευνές μας, που πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση πλήρως κβαντομηχανικών προσεγγίσεων σε έντονες αλληλεπιδράσεις λέιζερ-ατόμων, δείξαμε ότι οι κβαντικές λειτουργίες στη διαδικασία της υψηλής αρμονικής παραγωγής, μπορούν να οδηγήσουν στη δημιουργία οπτικών καταστάσεων "γάτας" Schrödinger και διεμπλεκόμενων καταστάσεων φωτός με ελεγχόμενα κβαντικά χαρακτηριστικά. Εδώ, περιγράφω αυτές τις εξελίξεις δίνοντας έμφαση στα πρόσφατα ευρήματά μας σχετικά με την παραγωγή έντονων οπτικών καταστάσεων "γάτας" για εφαρμογές στη μη γραμμική οπτική. Τα ευρήματα αυτά σηματοδοτούν την έναρξη ενός ποικίλου φάσματος νέων ερευνών και συναρπαστικών εξελίξεων. Θα συζητήσω επίσης πώς φιλοδοξούμε να αξιοποιήσουμε υλικά που οδηγούνται από ισχυρά λέιζερ για την ανάπτυξη μιας νέας κατηγορίας μη κλασικών και μαζικά διεμπλεκόμενων καταστάσεων για νέες εφαρμογές στις κβαντικές τεχνολογίες.

•Jul 1, 2024•0 citations

Collective dynamics and effective two-state description of strongly-interacting quantum systems

Ανδρέας-Παναγιώτης Τζωρτζακάκης

Η παρούσα διατριβή διερευνά τη συλλογική δυναμική και αναπτύσσει ενεργές περιγραφές δύο-καταστάσεων για ισχυρά αλληλεπιδρώντα κβαντικά συστήματα, εστιάζοντας σε τρεις βασικούς τομείς: τοπολογικά προστατευμένες καταστάσεις-άκρων (edge-states), μεταβάσεις σε μοντέλα Ising και σύμφωνα φαινόμενα σε συμπυκνώματα εξιτονίων-πολαριτονίων. Αρχικά εξετάζουμε τις ιδιότητες των τοπολογικά προστατευμένων καταστάσεων-άκρων στο μη-Ερμιτιανό, χωροχρονικά-συμμετρικό (PT −symmetric) μοντέλο Su-Schrieffer-Heeger (SSH) στην τοπολογικά μη-τετριμμένη του διαμόρφωση. Αναπτύσσουμε ένα ενεργό αναλυτικό μοντέλο δύο-καταστάσεων που προβλέπει με ακρίβεια το σημείο θραύσης της PT-συμμετρίας για τις καταστάσεις-άκρων και επικυρώνουμε τις θεωρητικές μας προβλέψεις μέσω ακριβών αριθμητικών υπολογισμών. Στη συνέχεια, εξετάζουμε διάφορες μεταβάσεις σε κβαντικά και ημικλασικά μοντέλα Ising. Ξεκινάμε με την αδιαβατική προετοιμασία χωρικά διατεταγμένων διεγέρσεων Rydberg σε πεπερασμένες μονοδιάστατες διατάξεις, χρησιμοποιώντας μια ενεργό περιγραφή δύο-επιπέδων βασισμένη στις στιγμιαίες (instantaneous) συλλογικές ιδιοκαταστάσεις χαμηλότερης ενέργειας της χρονοεξαρτώμενης Χαμιλτονιανής. Η πιστότητα προετοιμασίας (preparation fidelity ) αυτού του πρωτοκόλλου εκτιμάται χρησιμοποιώντας τον τύπο Landau-Zener. ́Επειτα μελετάμε το μονοδιάστατο ημικλασικό σιδηρομαγνητικό μοντέλο Ising με πεπερασμένο αριθμό σπιν και περιοδικές συνθήκες, παραθέτοντας και επαληθεύοντας αριθμητικά τις στατικές και δυναμικές ιδιότητές του σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Εστιάζουμε στην ανάλυση των κατανομών πιθανότητας της μαγνήτισης, του αριθμού των τοιχωμάτων περιοχής (domain walls) και των αντίστοιχων χρόνων παραμονής (residence times) τους για διάφορα μήκη αλυσίδας και μαγνητικά πεδία. Ορίζουμε επίσης τις κρίσιμες θερμοκρασίες για τη θερμική μετάβαση μεταξύ των παραμαγνητικών και σιδηρομαγνητικών μακροσκοπικών καταστάσεων. Τέλος, διερευνούμε σύμφωνα φαινόμενα σε οπτικά- παγιδευμένα συμπυκνώματα εξιτονίων -πολαριτονίων δύο-καταστάσεων. Δείχνουμε ότι ο χρόνος συμφωνίας ενός παγιδευμένου συμπυκνώματος είναι σημαντικά μεγαλύτερος από αυτόν ενός μη-παγιδευμένου συμπυκνώματος, επιτρέποντας φασματοσκοπικές μετρήσεις υψηλής ανάλυσης που αποκαλύπτουν τη δομή δύο-καταστάσεων του συμπυκνώματος. Επιπλέον, μελετάμε την πειραματική υλοποίηση και τον χαρακτηρισμό ενός αναλογικού κβαντικού δυφίου (qubit) χρησιμοποιώντας ένα συμπύκνωμα εξιτονίων-πολαριτονίων που παγιδεύεται από έναν χωρικά διαμορφωμένο λέιζερ σε δακτυλιοειδή παγίδα, η οποία υποστηρίζει ενεργειακά-εκφυλισμένες καταστάσεις κυκλικών ρευμάτων του υπερρευστού πολαριτονίων.

•Jul 1, 2024•0 citations

Fast preparation of Bell-type entangled states between the ground and Rydberg states of neutral 171Yb atoms based on shortcut to adiabaticity via invariants

Xiaofeng WANG

针对171Yb中性原子里德伯阻塞体系中的快速纠缠态制备问题, 提出一种基于Lewis-Riesenfeld不变量逆向工程的绝热捷径方案, 用于实现基态-里德伯态对称单激发Bell型纠缠态的快速高保真制备. 在大失谐绝热消除与强里德伯阻塞近似下, 将原始双原子三能级系统约化为有效两能级模型, 并据此在共振驱动条件下构造解析控制脉冲. 数值结果表明, 在总演化时间T = 1 μs, 里德伯相互作用强度V=2\textπ\times 120 MHz条件下, 系统可实现从初态到基态-里德伯态对称单激发Bell型纠缠态的快速转移, 末态保真度超过0.999, 所需峰值单原子有效两光子Rabi频率仅约为2\textπ\times0.66 MHz. 进一步在完整双原子三能级模型中验证发现, 无耗散时末态保真度可达0.9999以上, 考虑中间态自发辐射和里德伯态衰减后仍保持在97%以上. 与传统绝热方案相比, 该方案可在更短时间内完成目标态制备, 并对驱动误差、失谐偏差、多普勒效应、激光线宽及相互作用波动表现出较好的鲁棒性. 结果表明, 该方案在171Yb里德伯中性原子平台上具有一定实验可行性, 并可为后续纠缠资源态向长寿命逻辑编码子空间的映射提供参考.

Acta Physica Sinica•Jan 1, 2026•0 citations

A single atom-based generation of Bell states of two cavities

Antonio Messina

arXiv:quant-ph/0203140•The European Physical Journal D•Mar 1, 2002•20 citations

Morris-Shore transformation for nondegenerate systems

Kaloyan N. Zlatanov, G. S. Vasilev, Nikolay V. Vitanov

The Morris-Shore (MS) transformation is a powerful tool for decomposition of the dynamics of multistate quantum systems to a set of two-state systems and uncoupled single states. It assumes two sets of states wherein any state in the first set can be coupled to any state in the second set, but the states within each set are not coupled between themselves. Another important condition is the degeneracy of the states in each set, although all couplings between the states from different sets can be detuned from resonance by the same detuning. The degeneracy condition limits the application of the MS transformation in various physically interesting situations, e.g., in the presence of electric and/or magnetic fields or light shifts, which lift the degeneracy in each set of states, e.g., when these sets comprise the magnetic sublevels of levels with nonzero angular momentum. This paper extends the MS transformation to such situations, in which the states in each of the two sets are nondegenerate. To this end, we develop an alternative way for the derivation of Morris-Shore transformation, which can be applied to nondegenerate sets of states. We present an approximated eigenvalue approach, by which, in the limit of small detunings from degeneracy, we are able to generate an effective Hamiltonian that is dynamically equivalent to the nondegenerate Hamiltonian. The effective Hamiltonian can be mapped to the Morris-Shore basis with a two-step similarity transformation. After the derivation of the general framework, we demonstrate the application of this technique to the popular $\mathrm{\ensuremath{\Lambda}}$ three-state system, and the four-state tripod, double-$\mathrm{\ensuremath{\Lambda}}$, and diamond systems. In all of these systems, our formalism allows us to reduce their quantum dynamics to simpler two-state systems even in the presence of various detunings, e.g., generated by external fields of frequency drifts.

arXiv:2009.11191•Physical Review A•Dec 15, 2020•13 citations
高保真纠缠态制备是量子信息处理中的关键问题. 本文研究了具有偶极-偶极相互作用的双原子系统中双激发Bell态的全光学解析与鲁棒制备. 在集体态表象下, 体系动力学限制在级联三态子空间内. 通过Morris-Shore(MS) 变换, 可将原三态系统约化为由亮态与对称态构成的有效二态子空间以及一个解耦暗态. 在此基础上, 通过求解MS空间中的传播算符并将其映射回原三态空间, 解析得到了实现目标Bell态制备的脉冲面积条件. 数值结果表明, 虽然不同脉冲面积条件均可实现目标态的高保真制备, 但其制备过程中对应的动力学演化路径及中间态参与机制存在显著差异. 进一步地, 针对单脉冲对方案对脉冲面积误差敏感的问题, 本文提出一种复合脉冲对方案, 将原三态系统中的鲁棒制备转化为有效二态系统中的鲁棒旋转, 从而利用二态系统中的复合脉冲序列对原三态系统中的控制误差进行系统抑制. 结果表明, 该方案能够显著提高目标态制备对脉冲面积误差的鲁棒性; 同时, 复合脉冲对增强的是整体抗误差能力, 而不会改变不同演化路径之间固有的鲁棒性差异. 本文为双激发Bell态的高保真、抗误差全光学制备提供了一种解析可控的理论方案.
Abstract We propose a high-fidelity and robust scheme for generating two-excitation Bell entangled states in a driven system of two dipole-dipole coupled two-level atoms. By exploiting the cascade structure of the collective states and applying a Morris-Shore transformation, the dynamics is reduced to an effective two-level system, enabling an analytical derivation of pulse area conditions for deterministic entanglement generation. The protocol is implemented in two sequential stages, allowing complete population transfer from the ground state to the maximally coherent superposition of the zero- and double-excitation states. To enhance robustness against pulse area and detuning errors, we replace single pulse pairs with composite pulse sequences featuring tailored phase patterns. Numerical simulations demonstrate substantial enlargement of high-fidelity regions, with different phase sequences providing different robustness profiles against pulse area and detuning errors. Our results provide a simple and analytically tractable route toward robust entanglement generation in driven atomic platforms.
Η αλληλεπίδραση των ατόμων με ισχυρούς παλμούς λέιζερ οδηγεί στη δημιουργία υψηλών αρμονικών, όπου τα χαμηλής συχνότητας φωτόνια ενός πεδίου λέιζερ μετατρέπονται σε φωτόνια υψηλότερων συχνοτήτων. Η διαδικασία αυτή είναι μια από τις πιο θεμελιώδεις διαδικασίες στη φυσική των ισχυρών λέιζερ. Έχει χρησιμοποιηθεί σε πολυάριθμα συναρπαστικά επιτεύγματα στην ατομική, μοριακή και οπτική φυσική και αποτελεί τον πυρήνα της επιστήμης των αττοδευτερολέπτων. Μέχρι πρόσφατα, η διαδικασία της Υψηλής Αρμονικής Παραγωγής περιγραφόταν επιτυχώς με κλασικές ή ημι-κλασικές προσεγγίσεις ισχυρού πεδίου, οι οποίες αντιμετωπίζουν το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο κλασικά. Αυτό άλλαξε πρόσφατα. Στις πρόσφατες θεωρητικές και πειραματικές έρευνές μας, που πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση πλήρως κβαντομηχανικών προσεγγίσεων σε έντονες αλληλεπιδράσεις λέιζερ-ατόμων, δείξαμε ότι οι κβαντικές λειτουργίες στη διαδικασία της υψηλής αρμονικής παραγωγής, μπορούν να οδηγήσουν στη δημιουργία οπτικών καταστάσεων "γάτας" Schrödinger και διεμπλεκόμενων καταστάσεων φωτός με ελεγχόμενα κβαντικά χαρακτηριστικά. Εδώ, περιγράφω αυτές τις εξελίξεις δίνοντας έμφαση στα πρόσφατα ευρήματά μας σχετικά με την παραγωγή έντονων οπτικών καταστάσεων "γάτας" για εφαρμογές στη μη γραμμική οπτική. Τα ευρήματα αυτά σηματοδοτούν την έναρξη ενός ποικίλου φάσματος νέων ερευνών και συναρπαστικών εξελίξεων. Θα συζητήσω επίσης πώς φιλοδοξούμε να αξιοποιήσουμε υλικά που οδηγούνται από ισχυρά λέιζερ για την ανάπτυξη μιας νέας κατηγορίας μη κλασικών και μαζικά διεμπλεκόμενων καταστάσεων για νέες εφαρμογές στις κβαντικές τεχνολογίες.
Η παρούσα διατριβή διερευνά τη συλλογική δυναμική και αναπτύσσει ενεργές περιγραφές δύο-καταστάσεων για ισχυρά αλληλεπιδρώντα κβαντικά συστήματα, εστιάζοντας σε τρεις βασικούς τομείς: τοπολογικά προστατευμένες καταστάσεις-άκρων (edge-states), μεταβάσεις σε μοντέλα Ising και σύμφωνα φαινόμενα σε συμπυκνώματα εξιτονίων-πολαριτονίων. Αρχικά εξετάζουμε τις ιδιότητες των τοπολογικά προστατευμένων καταστάσεων-άκρων στο μη-Ερμιτιανό, χωροχρονικά-συμμετρικό (PT −symmetric) μοντέλο Su-Schrieffer-Heeger (SSH) στην τοπολογικά μη-τετριμμένη του διαμόρφωση. Αναπτύσσουμε ένα ενεργό αναλυτικό μοντέλο δύο-καταστάσεων που προβλέπει με ακρίβεια το σημείο θραύσης της PT-συμμετρίας για τις καταστάσεις-άκρων και επικυρώνουμε τις θεωρητικές μας προβλέψεις μέσω ακριβών αριθμητικών υπολογισμών. Στη συνέχεια, εξετάζουμε διάφορες μεταβάσεις σε κβαντικά και ημικλασικά μοντέλα Ising. Ξεκινάμε με την αδιαβατική προετοιμασία χωρικά διατεταγμένων διεγέρσεων Rydberg σε πεπερασμένες μονοδιάστατες διατάξεις, χρησιμοποιώντας μια ενεργό περιγραφή δύο-επιπέδων βασισμένη στις στιγμιαίες (instantaneous) συλλογικές ιδιοκαταστάσεις χαμηλότερης ενέργειας της χρονοεξαρτώμενης Χαμιλτονιανής. Η πιστότητα προετοιμασίας (preparation fidelity ) αυτού του πρωτοκόλλου εκτιμάται χρησιμοποιώντας τον τύπο Landau-Zener. ́Επειτα μελετάμε το μονοδιάστατο ημικλασικό σιδηρομαγνητικό μοντέλο Ising με πεπερασμένο αριθμό σπιν και περιοδικές συνθήκες, παραθέτοντας και επαληθεύοντας αριθμητικά τις στατικές και δυναμικές ιδιότητές του σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Εστιάζουμε στην ανάλυση των κατανομών πιθανότητας της μαγνήτισης, του αριθμού των τοιχωμάτων περιοχής (domain walls) και των αντίστοιχων χρόνων παραμονής (residence times) τους για διάφορα μήκη αλυσίδας και μαγνητικά πεδία. Ορίζουμε επίσης τις κρίσιμες θερμοκρασίες για τη θερμική μετάβαση μεταξύ των παραμαγνητικών και σιδηρομαγνητικών μακροσκοπικών καταστάσεων. Τέλος, διερευνούμε σύμφωνα φαινόμενα σε οπτικά- παγιδευμένα συμπυκνώματα εξιτονίων -πολαριτονίων δύο-καταστάσεων. Δείχνουμε ότι ο χρόνος συμφωνίας ενός παγιδευμένου συμπυκνώματος είναι σημαντικά μεγαλύτερος από αυτόν ενός μη-παγιδευμένου συμπυκνώματος, επιτρέποντας φασματοσκοπικές μετρήσεις υψηλής ανάλυσης που αποκαλύπτουν τη δομή δύο-καταστάσεων του συμπυκνώματος. Επιπλέον, μελετάμε την πειραματική υλοποίηση και τον χαρακτηρισμό ενός αναλογικού κβαντικού δυφίου (qubit) χρησιμοποιώντας ένα συμπύκνωμα εξιτονίων-πολαριτονίων που παγιδεύεται από έναν χωρικά διαμορφωμένο λέιζερ σε δακτυλιοειδή παγίδα, η οποία υποστηρίζει ενεργειακά-εκφυλισμένες καταστάσεις κυκλικών ρευμάτων του υπερρευστού πολαριτονίων.
针对171Yb中性原子里德伯阻塞体系中的快速纠缠态制备问题, 提出一种基于Lewis-Riesenfeld不变量逆向工程的绝热捷径方案, 用于实现基态-里德伯态对称单激发Bell型纠缠态的快速高保真制备. 在大失谐绝热消除与强里德伯阻塞近似下, 将原始双原子三能级系统约化为有效两能级模型, 并据此在共振驱动条件下构造解析控制脉冲. 数值结果表明, 在总演化时间T = 1 μs, 里德伯相互作用强度V=2\textπ\times 120 MHz条件下, 系统可实现从初态到基态-里德伯态对称单激发Bell型纠缠态的快速转移, 末态保真度超过0.999, 所需峰值单原子有效两光子Rabi频率仅约为2\textπ\times0.66 MHz. 进一步在完整双原子三能级模型中验证发现, 无耗散时末态保真度可达0.9999以上, 考虑中间态自发辐射和里德伯态衰减后仍保持在97%以上. 与传统绝热方案相比, 该方案可在更短时间内完成目标态制备, 并对驱动误差、失谐偏差、多普勒效应、激光线宽及相互作用波动表现出较好的鲁棒性. 结果表明, 该方案在171Yb里德伯中性原子平台上具有一定实验可行性, 并可为后续纠缠资源态向长寿命逻辑编码子空间的映射提供参考.
The Morris-Shore (MS) transformation is a powerful tool for decomposition of the dynamics of multistate quantum systems to a set of two-state systems and uncoupled single states. It assumes two sets of states wherein any state in the first set can be coupled to any state in the second set, but the states within each set are not coupled between themselves. Another important condition is the degeneracy of the states in each set, although all couplings between the states from different sets can be detuned from resonance by the same detuning. The degeneracy condition limits the application of the MS transformation in various physically interesting situations, e.g., in the presence of electric and/or magnetic fields or light shifts, which lift the degeneracy in each set of states, e.g., when these sets comprise the magnetic sublevels of levels with nonzero angular momentum. This paper extends the MS transformation to such situations, in which the states in each of the two sets are nondegenerate. To this end, we develop an alternative way for the derivation of Morris-Shore transformation, which can be applied to nondegenerate sets of states. We present an approximated eigenvalue approach, by which, in the limit of small detunings from degeneracy, we are able to generate an effective Hamiltonian that is dynamically equivalent to the nondegenerate Hamiltonian. The effective Hamiltonian can be mapped to the Morris-Shore basis with a two-step similarity transformation. After the derivation of the general framework, we demonstrate the application of this technique to the popular $\mathrm{\ensuremath{\Lambda}}$ three-state system, and the four-state tripod, double-$\mathrm{\ensuremath{\Lambda}}$, and diamond systems. In all of these systems, our formalism allows us to reduce their quantum dynamics to simpler two-state systems even in the presence of various detunings, e.g., generated by external fields of frequency drifts.