18、量子光学与原子光学中的里德堡原子偶极阻塞效应

量子光学与原子光学中的里德堡原子偶极阻塞效应

一、里德堡原子研究背景与偶极阻塞效应概述

自2000年D. Jaksch等人首次从理论上提出可以利用超冷里德堡原子实现快速量子逻辑门以来，里德堡原子在量子信息领域的应用得到了极大的拓展。越来越多的科学家将研究焦点转向了里德堡原子，它成为了原子与分子物理学领域的一颗新星。

实现量子逻辑门的本质是对量子比特进行可控操作，而里德堡偶极阻塞效应恰好能满足这一需求。里德堡态之间的强偶极 - 偶极相互作用会导致原子共振能级发生移动。当两个原子同时满足共振跃迁条件时，只有其中一个原子能够被激发到里德堡态，另一个原子的激发会由于能级移动而受到强烈抑制。同理，附近的其他原子也会受到这个里德堡原子的影响而无法被激发，这种效应被称为“里德堡阻塞”或“偶极阻塞”。

二、里德堡阻塞效应的关键参数

1. 阻塞半径 (r_b)
   阻塞半径 (r_b)（约为微米量级）用于衡量受影响原子的范围，即在半径约为 (r_b) 的体积内，其他原子的里德堡激发会受到极大抑制。包含单个里德堡激发的原子系综被称为“超原子”。在“超原子”系综中，基态和激发态之间集体单激发的拉比频率可以表示为 (\sqrt{N_b}\Omega)，其中 (N_b) 是半径约为 (r_b) 的“超原子”中涉及的原子数量，(\Omega) 是单个原子的有效拉比频率。
   在双光子激发的情况下，有效拉比频率 (\Omega = \frac{\Omega_1\Omega_2}{2\Delta})，其中 (\Omega_{1,2}) 是单光子跃迁的拉比频率，(\Delta) 是相对于中间能级的失谐量。阻塞半径 (r_b)