{"id":15047,"date":"2026-05-11T12:18:26","date_gmt":"2026-05-11T12:18:26","guid":{"rendered":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/portfolio\/liam-bond\/"},"modified":"2026-05-11T12:18:43","modified_gmt":"2026-05-11T12:18:43","slug":"liam-bond","status":"publish","type":"us_portfolio","link":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/portfolio\/liam-bond\/","title":{"rendered":"Liam Bond"},"content":{"rendered":"","protected":true},"excerpt":{"rendered":"","protected":true},"author":7,"featured_media":15048,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","template":"","meta":{"_acf_changed":false,"footnotes":""},"us_portfolio_category":[45],"class_list":["post-15047","us_portfolio","type-us_portfolio","status-publish","post-password-required","hentry","us_portfolio_category-new-template"],"acf":{"naam_van_het_proefschift":"Hybrid spin-boson systems","samenvatting":"Het doel van dit proefschrift is het begrijpen en benutten van hybride spin-boson systemen. In Deel Een bestuderen wij quantumsimulaties, sensing en toestandspreparatie in spin-boson systemen. Dit is gemotiveerd door de mogelijkheid een quantumvoordeel te realiseren. Een exacte beschrijving van spin-boson systemen is vaak zeer complex. Daarom ontwikkelen wij in Deel Twee effici\u00ebnter klassieke numerieke methoden voor het simuleren van hun gesloten en open quantumdynamica.\n\nWij beginnen Deel Een in Hoofdstuk 1 met een overzicht van gevangen-ionen systemen, een uitgebreid onderzocht hardwareplatform voor spin-boson systemen. De theorie van ionenvangst wordt ge\u00efntroduceerd, inclusief een gedetailleerde behandeling van micromotie met behulp van Floquet-theorie. Er wordt besproken hoe een qubit gecodeerd wordt in de interne elektronische energieniveaus van elk ion en hoe laserlicht effectieve spin-spin interacties realiseert. Deze interacties worden goed beschreven door een Ising-model. Dit maakt quantumsimulaties van spin-spin modellen mogelijk. Tot slot wordt ingegaan op optische pincetten en hoe deze de programmeerbaarheid van de gevangen-ionenquantumsimulator kunnen vergroten.\n\nIn Hoofdstuk 2 bestuderen wij het effect van verwachte experimentele foutenbronnen in quantumsimulaties met gevangen ionen in optische pincetten met numerieke methoden. Uit de resultaten blijkt dat micromotie moet worden meegenomen bij het numeriek optimaliseren van de pincet-pinfrequenties. Eerste-orde Dopplerverschuivingen kunnen een belangrijke foutenbron vormen langs de richting van zwakkere opsluiting, waar de micromotie het grootst is. Extra spanning- en rekkrachten vergroten de programmeerbaarheid van de simulator niet. Ruis in de intensiteit van de pincetten moet worden gestabiliseerd tot op sub-procentniveau om quantumsimulaties met hoge nauwkeurigheid te realiseren.\n\nIn Hoofdstuk 3 gaan wij verder in op het benutten van spin-boson systemen. Wij onderzoeken hoe spin-boson systemen met veel deeltjes gebruikt kunnen worden voor displacement sensing. Wij bewijzen dat spin-afhankelijke squeezed states optimale referentietoestanden zijn in termen van de bezetting van de bosonische modus. Deze toestanden bereiken het Heisenberg-limiet voor het schatten van de amplitude van een verplaatsing en voor het gezamenlijk schatten van de re\u00eble en imaginaire componenten van een verplaatsing. Wij presenteren realiseerbare meetmethoden gericht op gevangen-ionen systemen, die voldoen aan de Heisenberg-schaling. Daarnaast wordt een snel en schaalbaar protocol ge\u00efntroduceerd voor het prepareren van spin-afhankelijke squeezed states. Dit protocol maakt gebruik van het dynamisch moduleren van eerste-orde sideband interaction en bereikt een preparatietijd die schaalt als 1\/\u221aN in systemen van N ionen. De preparatie van 8.7 dB spin-afhankelijke squeezing wordt numeriek gedemonstreerd. Dit is 15 keer sneller dan de standaard gevangen-ionen benadering met tweede-orde sidebands. Toepassingen van deze meetkundige protocollen zijn onder andere quantum-logic ondersteunde foton-recoilspectroscopie en ondersteuning in de zoektocht naar de natuurkunde buiten het Standaardmodel door het detecteren van verplaatsingen.\n\nIn Hoofdstuk 4 onderzoeken wij of willekeurige symmetrische spin-toestanden effici\u00ebnt geprepareerd kunnen worden met globale controle. Symmetrische spin-toestanden zijn gedefineerd als invariant bij uitwisseling van twee deeltjes. De ontwikkeling van protocollen die geen individuele qubit-adressering vereisen, is cruciaal voor platforms waar single-qubit adressering niet beschikbaar is. Met behulp van een variationeel quantumcircuit, opgebouwd uit globale rotaties en globale spin squeezing, wordt numeriek bewijs geleverd en een analytisch argument gegeven dat ten hoogste 2N\/3 circuitlagen nodig zijn om willekeurige symmetrische toestanden te prepareren. De mogelijkheden van deze aanpak worden benadrukt door het prepareren van symmetrische toestanden die nuttig zijn voor quantummetrologie en quantumfoutcorrectie. Het variationele circuit wordt direct realiseerbaar geacht op huidige quantumhardwareplatforms. Er wordt specifiek ingegaan op hoe het protocol gerealiseerd kan worden in gevangen-ionen systemen.\n\nIn Deel Twee gebruiken wij klassieke numerieke methoden voor het simuleren van de quantumdynamica van hybride spin-boson systemen. In Hoofdstuk 5 introduceren wij het raamwerk, bestaande uit een variationele ansatz voor de quantumtoestand en het tijdsafhankelijke variationele principe (TDVP) om dynamica te simuleren. Voor de ansatz wordt gekozen voor een niet-Gaussische toestand (NGS), specifiek een superpositie van bosonische Gaussische toestanden (SCS). Daarnaast worden open-quantumsystemen besproken, inclusief de methode van quantumtrajecten.\n\nIn Hoofdstuk 6 worden eigenschappen van grondtoestanden bestudeerd met behulp van imaginaire-tijdsevolutie en die van non-equilibrium dynamica met behulp van re\u00eble-tijdsevolutie. Wij tonen aan dat de ansatz effici\u00ebnt en controleerbaar is in de context van het spin-boson model, een paradigmatisch model dat een enkele spin gekoppeld aan een set bosonische modi beschrijft. Deze techniek wordt ook gebruikt om bad-dynamica te bestuderen en gecombineerd met optimale controle voor de snelle preparatie van bijna-kritische grondtoestanden.\n\nIn Hoofdstuk 7 wordt het NGS- en TDVP-raamwerk uitgebreid om open dynamica te bestuderen met behulp van quantumtrajecten. Er wordt een Holstein-Tavis-Cummings-Hamiltoniaan bestudeerd, een paradigmatisch model dat in de context van polaritonische chemie lage-energie elektronische excitaties beschrijft. Deze excitaties zijn gekoppeld aan lokale moleculaire vibraties en een collectieve caviteitsmodus en vertonen verhoogde chemische reactiesnelheden. Het raamwerk wordt vergeleken met de truncated Wigner approximation (TWA). Hieruit blijkt dat er parameterregimes zijn waarin de NGS beter presteert dan de TWA implementatie. Hoewel het NGS-raamwerk toegepast kan worden op een reeks problemen, blijven er enkele knelpunten bestaan, zoals een beperkt aantal spins. Mogelijke toekomstige toepassingen vari\u00ebren van studies van polaritonische chemie en onzuiverheidsfysica tot robuuste quantumtoestandspreparatie in hybride spin-boson systemen.","summary":"The aim of this Thesis is to understand and harness hybrid spin-boson systems. Motivated by the prospect of realizing a quantum advantage, in Part One we consider quantum simulations, sensing and state preparation in spin-boson systems. Exactly describing spin-boson systems is often extremely challenging, so in Part Two we develop efficient classical numerical methods for simulating their closed and open quantum dynamics.\n\nWe begin Part One in Ch. 1 with a review of trapped-ion systems, a well established spin-boson hardware platform. The theory of ion trapping is introduced, including a detailed treatment of micromotion using Floquet theory. We discuss how a qubit is encoded in each ion\u2019s internal electronic energy levels, and how laser light realizes effective spin-spin interactions that are well-described by an Ising model, enabling quantum simulations of spin-spin models. Finally we review optical tweezers and how they can increase the programmability of the trapped-ion quantum simulator.\n\nIn Ch. 2 we numerically study the effect of expected sources of experimental error in quantum simulations with trapped ions in optical tweezers. We show that micromotion should be included when numerically optimizing the tweezer pinning frequencies, while first-order Doppler shifts may be a major source of error along the weaker confinement direction where micromotion is largest. Additional stress and strain forces do not increase the simulator\u2019s programmability, while tweezer intensity noise should be stabilized to the sub-percent level to realize high-fidelity quantum simulations.\n\nIn Ch. 3 we continue with the theme of harnessing spin-boson systems, asking how many-body spin-boson systems can be used for displacement sensing. We prove that in terms of the bosonic mode\u2019s occupation, spin-dependent squeezed states are optimal reference states. Specifically, they saturate the Heisenberg limit for estimating a displacement\u2019s amplitude, and for jointly estimating a displacement\u2019s real and imaginary components. With trapped-ion systems in mind, we provide experimentally-realizable measurement schemes that follow Heisenberg scaling. We also introduce a fast and scalable protocol for preparing spin-dependent squeezed states that uses dynamically modulated first-order sideband interactions, achieving a preparation time that scales as 1\/\u221aN in systems with N ions. We numerically demonstrate the preparation of 8.7 dB of spin-dependent squeezing 15 times faster than the standard trapped-ion approach using second-order sidebands. The potential applications of our metrology protocols include quantum-logic enabled photon-recoil spectroscopy of molecular and highly charged ions, and searches for physics beyond the Standard Model by sensing a displacement induced by theorized interactions between Standard Model fields and certain forms of dark matter such as axions.\n\nIn Ch. 4 we conclude Part One by asking if arbitrary symmetric spin states can be efficiently prepared using only global control. Symmetric spin states are defined as any quantum state that is invariant when two particles are exchanged, while the development of protocols that do not require individual qubit addressing is crucial for platforms where single-qubit addressing is not available, and for reducing experimental demands more broadly. Using a variational quantum circuit built from global rotations and global spin squeezing, we provide numerical evidence and an analytical argument that at most 2N\/3 circuit layers are required to prepare arbitrary symmetric states. We highlight the capabilities of our approach by preparing symmetric states that are useful for quantum metrology and quantum error correction. We expect the variational circuit to be immediately realizable on current quantum hardware platforms, and in particular discuss how our protocol can be realized in trapped-ion platforms.\n\nIn Part Two we aim to understand hybrid spin-boson systems by developing classical numerical methods for simulating their quantum dynamics. In Ch. 5 we introduce the framework, namely a variational ansatz for the quantum state and the time-dependent variational principle (TDVP) to simulate dynamics. For the ansatz we choose a non-Gaussian state (NGS), specifically a superposition of bosonic Gaussian states (SCS). We also review the study of open quantum systems, including the quantum trajectories method.\n\nIn Ch. 6 we study ground-state properties using imaginary-time evolution and non-equilibrium dynamics using real-time evolution. Focusing on the spin-boson model, a paradigmatic model that describes a single spin coupled to a set of bosonic modes, we demonstrate that the ansatz is efficient and controllable even beyond the regime of Ohmic-type couplings. We also use our framework to study bath dynamics, and combine it with optimal control for the fast preparation of near-critical ground states.\n\nIn Ch. 7 we extend the NGS and TDVP framework to study open dynamics using quantum trajectories. We study a Holstein-Tavis-Cummings Hamiltonian, a paradigmatic model which in the context of polaritonic chemistry describes low-energy electronic excitations coupled to local molecular vibrations and a collective cavity mode, and features enhanced chemical reaction rates. We benchmark our framework against the truncated Wigner approximation (TWA), showing that there are parameter regimes where the NGS outperforms our TWA implementation. While the NGS framework can be applied to a range of problems, some bottlenecks remain such as a limited number of spins. Possible future applications range from studies of polaritonic chemistry and impurity physics to robust quantum state preparation in hybrid spin-boson systems.","auteur":"Liam Bond","auteur_slug":"liam-bond","publicatiedatum":"11 juni 2026","taal":"EN","url_flipbook":"https:\/\/ebook.proefschriftmaken.nl\/ebook\/liambond?iframe=true","url_download_pdf":"https:\/\/ebook.proefschriftmaken.nl\/download\/ab285519-a3d0-4d9a-8c3b-05039de30f47\/optimized","url_epub":"","ordernummer":"19017","isbn":"","doi_nummer":"","naam_universiteit":"Universiteit van Amsterdam","afbeeldingen":15049,"naam_student:":"","binnenwerk":"","universiteit":"Universiteit van Amsterdam","cover":"","afwerking":"","cover_afwerking":"","design":""},"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio\/15047","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/types\/us_portfolio"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/users\/7"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=15047"}],"version-history":[{"count":1,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio\/15047\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":15050,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio\/15047\/revisions\/15050"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/media\/15048"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=15047"}],"wp:term":[{"taxonomy":"us_portfolio_category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio_category?post=15047"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}