19、量子光学与原子光学的新进展

量子光学与原子光学的新进展

里德堡原子的应用

里德堡原子是指最外层电子被激发到主量子数较高能级的原子，其外层电子束缚较弱，因此容易受到外加电磁场的影响，展现出丰富的物理效应。近年来，随着冷原子实验技术的不断发展，超冷里德堡原子已在实验中实现，因其强大的偶极 - 偶极相互作用和量子相干性等优点，再次吸引了大量研究人员的关注。目前，里德堡原子的研究涉及多个应用领域：
1. 里德堡量子信息 ：里德堡原子之间存在巨大的偶极 - 偶极相互作用，通常与主量子数 (n^4) 成正比，同时其寿命很长，与 (n^3) 成正比。早在 2000 年，就有人提出利用这些特性实现快速双量子比特量子逻辑门。此后，里德堡原子在许多应用中展现出独特优势，如双量子比特长距离量子逻辑门、集体编码多量子比特量子寄存器、操纵原子与光之间的量子接口以及模拟量子多体物理效应等。2009 年，里德堡量子模拟器在实验中得以实现，其最重要的特点是能够在自旋体系中操纵原子间的多体相互作用，该系统比其他传统量子模拟设备具有更高效的操纵能力，即使对于具有高阶相互作用的系统也能有效工作。这一研究成果为进一步实现量子纠缠态的耗散生成、研究高保真多量子比特量子门的纠缠特性等带来了新机遇。
2. 里德堡非线性光学 ：电磁诱导透明是非线性光学领域的一个亮点，泵浦场和探测场之间的相消干涉可用于增强光学非线性效应。在这个过程中，由于光子损失的抑制，原子与光场的相互作用时间可大大延长。对里德堡电磁诱导透明（EIT）的研究已进行了近十年。自 Friedler 等人首次从理论上发现里德堡原子之间的长程偶极 - 偶极相互作用可增强单光子脉冲之间的非局域非线性相互作用以来，EIT 效应被用于单光子脉冲的制备和光