里德堡原子系综的腔电磁诱导透明及其在光子态量子调控中的运用

Cavity electromagnetic induced transparency (EIT) with Rydberg atomic ensemble, which combines the properties of both cavity EIT and strong dipole blockade between Rydberg atoms , will lead to many interesting nonlinear optical effects. Based on the quantum theory of the interactions between cavity fields and multi-level Rydberg atoms, we plan to theoretically investigate the dynamics behavior of cavity EIT with Rydberg atomic ensemble. Under the condition of moderate coupling strength, we explore the influences on properties of EIT by cavity quantum amplification effect for the atom-cavity coupling system and strong dipole blockade between Rydberg atoms. The main research includes: the effective strong coupling of Rydberg atom and cavity system by EIT, optical nonlinearities, the preparation of nonclassical states of photons, single-photon quantum switch, quantum nondemolition measurement of single photons and so on.

里德堡原子系综的腔电磁诱导透明结合了里德堡原子强的偶极阻塞效应和腔电磁诱导透明的特点，会导致许多新奇的光学非线性现象产生。本项目基于描述腔场与多能级里德堡原子相互作用的量子理论，进行在基于里德堡原子系综中腔电磁诱导透明的理论研究。探讨在中等耦合条件下, 原子-腔量子场耦合系统中腔的量子放大作用和里德堡原子强的偶极阻塞效应共同作用下对电磁诱导透明特性的影响。主要包括理论研究里德堡原子-腔耦合系统中电磁诱导透明条件下的有效强耦合、光子非线性、非经典光子量子态的制备、单光子水平的量子开关、量子非破坏测量等。

量子调控研究是对量子现象进行调控和开发利用，是目前国际研究的前沿热点之一。本项目主要基于里德堡原子强的偶极阻塞效应和腔电磁诱导透明在量子态的制备、光场的非互易、多比特量子相位门和存储等方面进行研究。其主要研究结果包括提出高保真度的里德堡原子纠缠态的理论方案，基于里德堡原子和腔电磁诱导透明的高增益的单光子晶体管的理论设计，利用腔电磁诱导透明和原子的热运动理论设计并实验演示了一种新的实现光学无磁非互易方法等。.. 相关研究结果在国内外重要刊物上发表SCI收录论文16篇，其中包括Nature Photonics 1篇，Physical Review Letters 1篇，Physical Review Applied 2篇，Physical Review A 2篇等，研究结果之一实现光学无磁非互易的新方法，在光子器件的集成化和小型化方面有潜在的重要运用，曾入选2018年度“中国光学十大进展”。