Time-dependent Hamiltonian estimation for Doppler velocimetry of trapped ions

The time evolution of a closed quantum system is connected to its Hamiltonian through Schroedinger's equation. The ability to estimate the Hamiltonian is critical to our understanding of quantum systems, and allows optimization of control. Though spectroscopic methods allow time-independent Hamiltonians to be recovered, for time-dependent Hamiltonians this task is more challenging. Here, using a single trapped ion, we experimentally demonstrate a method for estimating a time-dependent Hamiltonian of a single qubit. The method involves measuring the time evolution of the qubit in a fixed basis as a function of a time-independent offset term added to the Hamiltonian. In our system the initially unknown Hamiltonian arises from transporting an ion through a static, near-resonant laser beam. Hamiltonian estimation allows us to estimate the spatial dependence of the laser beam intensity and the ion's velocity as a function of time. This work is of direct value in optimizing transport operations and transport-based gates in scalable trapped ion quantum information processing, while the estimation technique is general enough that it can be applied to other quantum systems, aiding the pursuit of high operational fidelities in quantum control.Comment: 10 pages, 8 figure

Crack initiation and endurance limit of hard steels under multiaxial cyclic loads

The endurance limit and the mechanisms o f fatigue crack initiation in the high cycle regime were investigated using round specimens o f the bearing steel 52100 under longitudinal forces and torsional moments and combinations o f these loads. Three specimen types were examined: smooth specimens and specimens with circumferential notches with radii o f 1.0 and 0.2 mm. The influence ofmean and multiaxial stresses on the endurance limit can be understood by consideration ofcrack initiation mechanisms and micro-mechanics. Crack initiation took place at oxides, carbonitrides and at the surface. The mechanisms ofcrack initiation could be related to the load type: Loads with rotating principal stresses are more damaging fo r nitrides than fo r oxides. Increasing maximum stresses are more dangerous fo r nitrides than fo r oxides, and introduce more damage to the surface than to the nitrides. Normal stresses are more damaging fo r oxides than shear stresses. The endurance limits were calculated by means o f an extended weakest-link model which combines volume and surface crack initiation with related fatigue criteria. For volume crack initiation the criterion o f Dang Van was used. For the correct description o f the competing surface crack initiation, a new criterion was applied. With this concept, a prediction o f the endurance limit is possible fo r loads which produce critical planes and range within a limited regime ofstress ratios.Исследованы предел выносливости и механизмы зарождения усталостных трещин в многоцикловом режиме, используя круглые образцы из подшипниковой стали 52100, подвергаемые действию продольных сил и крутящих моментов, а также комбинации этих нагрузок. Использовали гладкие образцы и образцы с кольцевыми надрезами радиусами 1,0 и 0,2 мм. Влияние средних и многоосных напряжений на предел выносливости может быть объяснено с учетом механизмов зарождения трещин и микромеханики. Зарождение трещин происходило на оксидах, карбонитридах и на поверхности. Механизмы зарождения трещин могут быть связаны с типом нагрузки: нагрузки с вращательными главными напряжениями более деструктивны для нитридов, чем для оксидов. Возрастающие максимальные напряжения более опасны для нитридов, чем для оксидов, и вызывают большие повреждения поверхности, чем нитридов. Нормальные напряжения вызывают большее повреждение оксидов, чем касательные напряжения Пределы выносливости рассчитывали с помощью модифицированной модели слабого звена, которая объединяет зарождение трещин в объеме и на поверхности с соответствующими критериями усталости. Для зарождения трещин в объеме был использован критерий Данг Вана. Для корректного описания конкурирующего зарождения трещин на поверхности был применен новый критерий. С помощью этой концепции можно предсказать предел выносливости для нагрузок, которые создают критические плоскости и диапазон в рамках ограниченного режима коэффициентов асимметрии цикла