近日，我校物理學(xué)院邵曉強教授受邀撰寫關(guān)于里德堡超原子研究的綜述性成果。該成果專注于里德堡超原子的概念，特別強調(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集體激發(fā)態(tài)形成的，其中多個原子表現(xiàn)出類似單個二能級原子的特性。這種集體行為不僅增強了量子態(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的邀請發(fā)表于應(yīng)用物理領(lǐng)域旗艦期刊“Applied Physics Reviews”；該項成果同時被編輯部遴選為期刊亮點論文（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的原子間相互作用而展現(xiàn)出獨特的特性。這些原子的感應(yīng)電偶極矩能夠與外部電場耦合，從而通過激光和微波場來精確操控里德堡原子的電子態(tài)和運動狀態(tài)。特別是里德堡原子之間的強烈長程偶極-偶極或范德華相互作用可以在超過10微米的宏觀距離上顯現(xiàn)。這為實現(xiàn)可擴展的量子信息處理架構(gòu)、創(chuàng)建新型多體狀態(tài)以及探索非線性量子光學(xué)奠定了基礎(chǔ)。
里德堡物理的核心在于由強相互作用引發(fā)的集體行為。在里德堡態(tài)下，原子間的相互作用遠強于激光拉比頻率。因此，當一個原子被激發(fā)時，鄰近一定距離內(nèi)的其他原子會被抑制激發(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)動力學(xué)可以通過“超原子”模型來描述，并可擴展至多原子系統(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算的有力候選者。此外，里德堡原子間的強相互作用可以映射到光場上，產(chǎn)生顯著的光學(xué)非線性。這在非線性量子光學(xué)的研究中以及在實現(xiàn)諸如單光子源、光子量子邏輯門、光子糾纏濾波器、單光子吸收器、單光子開關(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：實驗中觀測到的里德堡超原子拉比震蕩
里德堡原子的集體激發(fā)特性在推進量子信息處理和量子光學(xué)方面具有巨大的潛力，預(yù)計在未來幾年中，將會有越來越多的實驗成就和理論提案涌現(xiàn)，推動這一領(lǐng)域的快速發(fā)展。量子模擬、量子計算和量子光學(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，需開發(fā)新的方案和實驗技術(shù)，以克服現(xiàn)有實驗中的局限性（如自旋波退相干）。此外，通過結(jié)合不同的量子系統(tǒng)，可以利用各自的特性，實現(xiàn)獨特的功能。里德堡激發(fā)與玻色-愛因斯坦凝聚體、囚禁離子、極性分子、機械振蕩器等相結(jié)合的混合系統(tǒng)，正在為未來新穎應(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諾丁漢大學(xué)李偉斌副教授；該成果得到了國家自然科學(xué)基金項目的支持。
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https://doi.org/10.1063/5.0211071
