Abstract Three-dimensional (3D) imaging of individual atoms is a critical tool for discovering new physical phenomena and developing new technologies in microscopic systems. However, the current single-atom-resolved 3D imaging methods are limited to static circumstances or a shallow detection range. Here, we demonstrate a generic dynamic 3D imaging method to track the extensive motion of single ions by exploiting the engineered point-spread function (PSF). We show that the image of a single ion can be engineered into a helical PSF, thus enabling single-snapshot acquisition of the position information of the ion in the trap. A preliminary application of this technique is demonstrated by recording the 3D motion trajectory of a single trapped ion and reconstructing the 3D dynamical configuration transition between the zig and zag structures of a 5-ion crystal. This work opens the path for studies on single-atom-resolved dynamics in both trapped-ion and neutral-atom systems.

Quantum sensing utilizing unique quantum properties of non-Hermitian systems to realize ultraprecision measurements has been attracting increasing attention. However, the debate on whether non-Hermitian systems are superior to Hermitian counterparts in sensing remains an open question. Here, we investigate the quantum information in $\mathcal{PT}$-symmetric quantum sensing utilizing two experimental schemes based on the trapped-ion platform and explore the relationship between $\mathcal{PT}$-symmetric quantum sensors and quantum resources. It turns out that the existence of advantages of non-Hermitian quantum sensing heavily depends on additional information resources carried by the extra degrees of freedom introduced to construct $\mathcal{PT}$-symmetric quantum sensors. Moreover, the practical application of non-Hermitian quantum sensing with superior performance is primarily restricted by the extra resource consumption accompanied by the postselection, while the superiority of non-Hermitian quantum sensing can be efficiently achieved in the presence of reasonable quantum resources. Our study provides theoretical references for the efficient construction of non-Hermitian quantum sensors with superior performance based on quantum resources and has potential applications in the research field of quantum precision measurement.

The ability of achieving strong quantum spatial correlations has helped the emergence of quantum information science. In contrast, how to achieve strong quantum temporal correlations (QTCs) has remained as a long-standing challenge, thus hindering their applications in time-domain quantum control. Here we experimentally demonstrate that by using a parity-time (PT)–symmetric single ion, the conventional QTC limit known as the Lüders bound can be well surpassed within a standard measurement scenario, approaching the predicted maximum QTC value. Our work, as a step toward quantum engineering of PT devices in the time domain, can stimulate more efforts on operating various quantum devices with the aid of strong QTC resources. Published by the American Physical Society 2025