超冷里德堡气体中合作光学非线性研究

The strong dipole-dipole interactions between atoms in an ultracold Rydberg gas generate a so-called dipole blockade effect. Electromagnetically induced transparency (EIT) can map this effect onto the optical transmission spectra, resulting in a cooperative nonlinearity which depends on the probe power and density of atoms. This novel nonlinearity can be used to realize the reliable single-photon sources and manipulate light at the single photon level, which are very significant for the quantum information processing and the quantum optics. This project plans to investigate the cooperative optical nonlinearity in an ultracold Rydberg gas systematically and thoroughly. . The concrete content is as follows:(1)The controllable steady transmission spectra of both the cooperative nonlinear EIT and the general EIT are obtained, and they can be converted to one another by constituting a feasible atomic model. We also interpret physically the results and give some potential applications in the case of a degenerate EIT window. Moreover, the antibunching effect is considered by studying the two-photon correlation which is closely related to the cooperative nonlinearity.(2)In a double Rydberg-energy-level configuration, the cooperative nonlinearity properties of the steady EIT are investigated based on the dipole blockade effect. Simultaneously, the behaviors of the excitations of atoms dominated by the two different van de Waals interactions are investigated.(3) We study the cooperative nonlinearity of the transient EIT and the dynamical behaviors of the excitations of atoms in a three-level ladder configuration involving a Rydberg energy level.

超冷里德堡气体中，原子间强烈的偶极-偶极相互作用产生偶极阻塞效应，这种效应映射到电磁感应透明（EIT）透射光谱中产生依赖于探测场强度、原子密度的合作非线性现象。利用这种新奇的非线性现象可以实现可靠的单光子源和单光子操控，这些研究对于量子信息处理和量子光学有着极其重要的意义。本项目拟在超冷里德堡气体中就合作非线性展开深入系统的研究。.具体内容是：（1）建立可行的原子模型，实现可控的稳态合作非线性EIT和普通的EIT透射光谱以及相互转化，并就这两种EIT窗口简并情况下呈现出特有的现象给出物理解释和潜在应用。此外，考察与合作非线性紧密相关的双光子关联性质，从而研究反聚束效应。（2）在双里德堡能级结构中研究基于偶极阻塞效应稳态EIT的合作非线性性质，同时考察由两个不同强度的范德瓦尔斯作用主导的原子激发行为。（3）在涉及里德堡能级的三能级梯形模型中研究瞬态EIT的合作非线性和原子激发的动力学行为。

在超冷里德堡气体中，原子间强烈的偶极-偶极相互作用产生偶极阻塞效应，基于偶极阻塞效应，可以实现量子信息处理和量子多体模拟。此外，偶极阻塞效应映射到电磁感应透明透射（EIT）光谱中会产生依赖于探测场强度、原子密度的合作光学非线性现象。利用这种新奇的合作光学非线性可以实现可靠的单光子源和单光子操控，该研究对于量子信息处理和量子光学有着极其重要的意义。.本项目主要研究超冷里德堡气体中的合作非线性，具体内容和结论如下：.（1）当探测场通过N型超冷里德堡原子，基于偶极阻塞效应，原子样品在EIT光谱上会表现出合作光学非线性效应。有趣的是，对应于不同探测失谐的两个透明窗口存在着两种行为相反（正常和反常）的非线性响应。正常（反常）非线性的特点是：随着探测强度和关联的增强，探测透射率和关联会减弱（增强）。在一种原子样品中可以实现两种不同的非线性EIT，所以可以将其应用到弱光信号的光子统计操控上。.（2）研究光力微腔耦合里德堡原子系统的稳态响应，在这个杂合系统中发现腔镜位移，腔内光子数，里德堡原子布居对于单光子失谐，驱动场强度以及原子个数展现出条件二象性以及非线性双稳特性，这种关联的光力以及原子响应来源于光与原子以及光力相互作用的有效反馈，因此能够用来实现精密的光力探测以及获得确定性的单光子。.（3）在非弱场近似下，发现引入几个高阶集体态才能正确描述超级原子的里德堡激发。否则，基于原有超级原子模型的数值计算会在透射光强以及光子关联方面出现错误。利用改进的超级原子模型，本质上能够可靠预测非线性EIT响应，甚至稠密原子样品同样有效。同时，这个模型可以推广到多能级系统来实现无损耗的光子相互作用。.（4）研究包含两个里德堡态的原子EIT光学响应，基于自偶极阻塞和交叉偶极阻塞，实现可控的单光子源以及光子对源。.（5）利用里德堡激发的偶极阻塞效应，在行波和驻波存在的条件下获得一种新奇的电磁感应光栅。这种光栅充分的体现了合作光学非线性效应：对光强和光子关联都敏感，因此有望在分辨强弱光场以及反聚束和聚束光子中有着积极的应用。