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我校教师受邀撰写关于里德堡超原子研究的综述性成果

2024年09月30日

近日，我校物理学院邵晓强教授受邀撰写关于里德堡超原子研究的综述性成果。该成果专注于里德堡超原子的概念，特别强调它们作为原子与光子之间量子接口的作用。里德堡超原子是通过集体激发态形成的，其中多个原子表现出类似单个二能级原子的特性。这种集体行为不仅增强了量子态的相干性和可控性，还赋予接口新的电磁特性，使得在量子层面上实现光子-光子相互作用的操控成为可能。相关成果以“Rydberg superatoms: An artificial quantum system for quantum information processing and quantum optics”为题，受主编Chennupati Jagadish的邀请发表于应用物理领域旗舰期刊“Applied Physics Reviews”；该项成果同时被编辑部遴选为期刊亮点论文（Featured Article）。

图1：（a）双原子里德堡阻塞现象 (b) 阻塞半径内由原子系综构成的里德堡超原子

里德堡原子因其大的原子尺寸和强的原子间相互作用而展现出独特的特性。这些原子的感应电偶极矩能够与外部电场耦合，从而通过激光和微波场来精确操控里德堡原子的电子态和运动状态。特别是里德堡原子之间的强烈长程偶极-偶极或范德华相互作用可以在超过10微米的宏观距离上显现。这为实现可扩展的量子信息处理架构、创建新型多体状态以及探索非线性量子光学奠定了基础。

里德堡物理的核心在于由强相互作用引发的集体行为。在里德堡态下，原子间的相互作用远强于激光拉比频率。因此，当一个原子被激发时，邻近一定距离内的其他原子会被抑制激发（即“封锁半径”）。在封锁半径内，系统只能占据多体基态和单激发的里德堡态。这样的集体态动力学可以通过“超原子”模型来描述，并可扩展至多原子系统，使得集体效应能够用于创建奇异的多体关联状态。这些潜力使里德堡原子成为量子模拟和量子计算的有力候选者。此外，里德堡原子间的强相互作用可以映射到光场上，产生显著的光学非线性。这在非线性量子光学的研究中以及在实现诸如单光子源、光子量子逻辑门、光子纠缠滤波器、单光子吸收器、单光子开关和单光子晶体管等光学量子设备中得到了广泛应用。

图2：实验中观测到的里德堡超原子拉比震荡

里德堡原子的集体激发特性在推进量子信息处理和量子光学方面具有巨大的潜力，预计在未来几年中，将会有越来越多的实验成就和理论提案涌现，推动这一领域的快速发展。量子模拟、量子计算和量子光学应用是极具前景的研究方向。为了充分发挥里德堡原子系统的潜力，需开发新的方案和实验技术，以克服现有实验中的局限性（如自旋波退相干）。此外，通过结合不同的量子系统，可以利用各自的特性，实现独特的功能。里德堡激发与玻色-爱因斯坦凝聚体、囚禁离子、极性分子、机械振荡器等相结合的混合系统，正在为未来新颖应用和物理研究的探索铺平道路。

该成果的第一作者/通讯作者为邵晓强教授，其他共同通讯作者分别为郑州大学苏石磊副教授，华中科技大学李霖教授，印度科学教育与研究学院Rejish Nath副教授，物理学院吴金辉教授和英国诺丁汉大学李伟斌副教授；该成果得到了国家自然科学基金项目的支持。