超冷里德堡原子的量子关联特性研究

The strong interaction between Rydberg atoms (principal quantum number n>>1) prevents the further excitation of the neighbor atoms, leading to the excitation blockade effect. In the blockade area, Rydberg atoms possess special excitation dynamics forming the strong correlated many-body systems, which is manipulated and controlled using external fields including electric field and radio frequency field due to the large polarizability scaling as n^7. The Rydberg many-body system can be used to realize the non-classical light, which make Rydberg atoms as the idea candidate for investigating the quantum gate and single-photon transistor and switcher..In this proposal, the dynamics of the strong interaction between ultracold Rydberg atoms and the quantum correlation properties of ultracold Rydberg many-body atoms are studied experimentally and theoretically, which including four parts: 1). The investigation of blockade and unti-blockade effect using resonant or non-resonant laser excitation methods. 2) The investigation of the evolution dynamics and the quantum correlation of Rydberg atoms using Rydberg electromagnetically induced transparency. 3). The investigation of an external-field controlled quantum interference effect and quantum correlation of ultracold Rydberg atoms, measuring the correlation function. The results obtained through this project will provide the basis for realizing the strong interaction system and robust quantum phenomena. 4). The exploring the Rydberg-atoms-based quantum devices, such as a single-photon switcher and transistor.

超冷里德堡原子间的强相互作用阻止了相邻原子的进一步激发而形成激发阻塞效应。处于阻塞区域的里德堡原子可实现强耦合多体系统，利用其极化率大的特点进而形成可调控的强耦合里德堡多体系统。该系统可用于实现非经典光源的制备，在量子逻辑门和全光开关以及光子晶体管等新型量子器件的研究领域具有重要的意义和应用前景。.本项目拟从理论和实验上研究外场调控的超冷里德堡强耦合多体系统的动力学行为和量子关联特性。主要内容包括：1).利用共振/非共振激发方式研究里德堡原子的激发/反激发阻塞效应；2）在阻塞区域，利用里德堡原子的电磁感应透明研究超冷里德堡原子强关联多体系统的激发演化动力学；3）研究外场操控的里德堡原子多体系统的量子相干效应及量子关联，测量获得量子关联函数，为实现可控的原子间相互作用和robust量子现象的研究提供理论依据；4）探索基于超冷里德堡原子的全光开关和光子晶体管等微小型量子器件的实现。

里德堡原子间的强相互作用阻止了相邻原子的进一步激发而形成激发阻塞效应。在阻塞区域内只能激发一个里德堡原子，进而形成里德堡超原子或里德堡极子。利用里德堡三能级原子EIT可实现单光子源的制备和量子信息处理，在量子逻辑门和全光开关以及光子晶体管等新型量子器件的研究领域具有重要的意义和应用前景。. 项目组经过四年的研究，顺利完成了项目预期的研究内容，达到了预期的研究目标。我们主要从理论和实验上研究了超冷里德堡原子的量子关联效应。理论上，研究了里德堡原子间的长程相互作用以及由此导致的激发阻塞效应，计算获得了里德堡原子的激发阻塞半径；数值模拟了里德堡原子的量子效应。实验上，1）研究了里德堡原子的激发阻塞效应，并利用双色双共振激发方式实现了里德堡原子的进一步激发，即实现了反激发阻塞效应；2）在阻塞区域，研究了超冷里德堡原子的电磁感应透明效应，实现了里德堡原子的非破坏性测量，研究了里德堡系统的激发演化过程，观察到了里德堡原子的超辐射效应；3）在激发阻塞半径内，研究了外场操控的里德堡原子的相干效应及量子关联。实现了基于里德堡原子相干效应的单光子存储和可控读取，并利用平衡零拍探测技术测量了读取信号光的二阶关联函数，实验测量的二阶关联函数g2(t)小于0.4，实现非经典光源的制备。. 主要的研究成果在本领域国际国内重要期刊发表SCI论文25篇，其中《Phys. Rev.》系列4篇，《New J. Phys.》4篇,《Optics Express》3篇，《J. Phys. B》1篇，《Chin. Phys. Lett.》1篇, 《Chin. Phys. B》3篇，以及其他期刊论文9篇。申报发明专利6个，授权发明专利5个。在项目的完成过程中毕业博士研究生3名，硕士研究生1名，另外两名硕士生转入硕博连读生。