近日，我校物理學(xué)院邵曉強(qiáng)教授受邀撰寫(xiě)關(guān)于里德堡超原子研究的綜述性成果。該成果專(zhuān)注于里德堡超原子的概念，特別強(qiáng)調(diào)它們作為原子與光子之間量子接口的作用。里德堡超原子是通過(guò)集體激發(fā)態(tài)形成的，其中多個(gè)原子表現(xiàn)出類(lèi)似單個(gè)二能級(jí)原子的特性。這種集體行為不僅增強(qiáng)了量子態(tài)的相干性和可控性，還賦予接口新的電磁特性，使得在量子層面上實(shí)現(xiàn)光子-光子相互作用的操控成為可能。相關(guān)成果以“Rydberg superatoms: An artificial quantum system for quantum information processing and quantum optics”為題，受主編Chennupati Jagadish的邀請(qǐng)發(fā)表于應(yīng)用物理領(lǐng)域旗艦期刊“Applied Physics Reviews”；該項(xiàng)成果同時(shí)被編輯部遴選為期刊亮點(diǎn)論文（Featured Article）。
圖1：（a）雙原子里德堡阻塞現(xiàn)象 (b) 阻塞半徑內(nèi)由原子系綜構(gòu)成的里德堡超原子
里德堡原子因其大的原子尺寸和強(qiáng)的原子間相互作用而展現(xiàn)出獨(dú)特的特性。這些原子的感應(yīng)電偶極矩能夠與外部電場(chǎng)耦合，從而通過(guò)激光和微波場(chǎng)來(lái)精確操控里德堡原子的電子態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。特別是里德堡原子之間的強(qiáng)烈長(zhǎng)程偶極-偶極或范德華相互作用可以在超過(guò)10微米的宏觀(guān)距離上顯現(xiàn)。這為實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的量子信息處理架構(gòu)、創(chuàng)建新型多體狀態(tài)以及探索非線(xiàn)性量子光學(xué)奠定了基礎(chǔ)。
里德堡物理的核心在于由強(qiáng)相互作用引發(fā)的集體行為。在里德堡態(tài)下，原子間的相互作用遠(yuǎn)強(qiáng)于激光拉比頻率。因此，當(dāng)一個(gè)原子被激發(fā)時(shí)，鄰近一定距離內(nèi)的其他原子會(huì)被抑制激發(fā)（即“封鎖半徑”）。在封鎖半徑內(nèi)，系統(tǒng)只能占據(jù)多體基態(tài)和單激發(fā)的里德堡態(tài)。這樣的集體態(tài)動(dòng)力學(xué)可以通過(guò)“超原子”模型來(lái)描述，并可擴(kuò)展至多原子系統(tǒng)，使得集體效應(yīng)能夠用于創(chuàng)建奇異的多體關(guān)聯(lián)狀態(tài)。這些潛力使里德堡原子成為量子模擬和量子計(jì)算的有力候選者。此外，里德堡原子間的強(qiáng)相互作用可以映射到光場(chǎng)上，產(chǎn)生顯著的光學(xué)非線(xiàn)性。這在非線(xiàn)性量子光學(xué)的研究中以及在實(shí)現(xiàn)諸如單光子源、光子量子邏輯門(mén)、光子糾纏濾波器、單光子吸收器、單光子開(kāi)關(guān)和單光子晶體管等光學(xué)量子設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。
圖2：實(shí)驗(yàn)中觀(guān)測(cè)到的里德堡超原子拉比震蕩
里德堡原子的集體激發(fā)特性在推進(jìn)量子信息處理和量子光學(xué)方面具有巨大的潛力，預(yù)計(jì)在未來(lái)幾年中，將會(huì)有越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)成就和理論提案涌現(xiàn)，推動(dòng)這一領(lǐng)域的快速發(fā)展。量子模擬、量子計(jì)算和量子光學(xué)應(yīng)用是極具前景的研究方向。為了充分發(fā)揮里德堡原子系統(tǒng)的潛力，需開(kāi)發(fā)新的方案和實(shí)驗(yàn)技術(shù)，以克服現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)中的局限性（如自旋波退相干）。此外，通過(guò)結(jié)合不同的量子系統(tǒng)，可以利用各自的特性，實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的功能。里德堡激發(fā)與玻色-愛(ài)因斯坦凝聚體、囚禁離子、極性分子、機(jī)械振蕩器等相結(jié)合的混合系統(tǒng)，正在為未來(lái)新穎應(yīng)用和物理研究的探索鋪平道路。
該成果的第一作者/通訊作者為邵曉強(qiáng)教授，其他共同通訊作者分別為鄭州大學(xué)蘇石磊副教授，華中科技大學(xué)李霖教授，印度科學(xué)教育與研究學(xué)院Rejish Nath副教授，物理學(xué)院吳金輝教授和英國(guó)諾丁漢大學(xué)李偉斌副教授；該成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的支持。
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https://doi.org/10.1063/5.0211071
