基于里德堡原子偶极封锁效应的量子相干操控

Long-distance quantum communication and distributed quantum computation is currently one of the hot topics in quantum information science. The key issue, which must be firstly resolved, is how to effectively achieve coherent control between long-distance quantum systems. This project explores quantum optical description theory of a composite system consisting of Rydberg atoms, atomic ensembles, fibers, cavities, and external fields. We will take advantage of the dipole blockade effect of Rydberg atom, the characteristics of atomic ensemble and cavity QED systems to achieve long-range interaction and effective blockade effects between separated cavity systems, which are connected by optical fibers, so we can realize coherent control between long-distance quantum systems in a deterministic manner and achieve long-range blockade effects which are originally limited to work for atoms away from several microns. We will seek schemes that can implement quantum nonlocal gates in the current experimental conditions with a high probability of success and a short operating time, and can be used to prepare multi-qubit entangled states, and design schemes that can be used to implement quantum registers，controlled single-photon source， and quantum network for remote quantum communication and distributed quantum computing.

远程量子通讯和分布量子计算是当前量子信息领域的热点课题之一，而如何有效地实现远距离量子系统间的相干操控是其首先必须解决的关键问题。本项目探讨由里德堡原子、原子系综、光纤、腔和外场组成的复合系统的量子光学描述理论，将里德堡原子偶极封锁效应、原子系综和腔QED系统的优点结合起来，获得以光纤为媒介的不同腔系统间的长程相互作用和有效的封锁效应，确定性地实现远距离量子系统间的相干操控，把原来仅限于对相距若干微米内的原子起作用的偶极封锁现象拓展到远距离的量子系统中。进而寻求成功几率高、操作时间短、在当前实验条件下能实现的非局域量子门和多量子比特纠缠态，设计可用于长距离量子通讯的量子寄存器、可控单光子源、及可实现远程量子通讯和分布量子计算的量子网络方案。

如何有效实现量子系统间的相干操控是实现量子通讯和分布量子计算首先必须解决的关键问题。基于里德堡原子、原子系综、光纤、腔、外场组成的复合系统和腔光力系统，已取得以下主要成果：1. 利用光子的腔暗态激子形式具有可调的长寿命，基于里德堡封锁原子系综系统中的腔暗态激子提出了研究腔量子电动力学的一个理论方案，理论分析和数值模拟计算发现光子和由里德堡封锁原子系综所导致的可用J-C模型描述的有效二能级发射体间的耦合强度可达前所未有的程度；2. 利用囚禁于双边泄漏光腔里德堡原子系综的腔内电磁诱导透明动力学演化，集合腔内电磁诱导透明可增加腔寿命和里德堡暗态激子间强相互作用优点，得到了非常强的单光子非线性，解析结果和数值模拟结果都表明这种腔内电磁诱导透明系统具有很强的光子封锁效应；3. 基于腔输入输出过程和里德堡封锁，实现了可用于构建量子网络远距离计算节点间联系的飞行光子和原子系综间的量子受控相位门；4. 利用由囚禁在光阱中并固定在原子芯片上的原子系综编码的集合性，基于里德堡偶极封锁力学实现了三量子比特量子受控相位门，该门操作可作为有效制备大规模二维团簇态的基本工具；5. 基于里德堡原子偶极封锁效应和绝热技术制备了里德堡原子量子单态；6. 基于由具有2N+1个稳定基态和N个里德堡态原子组成的系综系统，采用对称集体态编码、偶极封锁效应并控制激光和系综相互作用时间，成功制备了多粒子W态；7. 基于二次方耦合光力系统，发现在强驱动条件下可实现光子和声子之间的非线性耦合，且耦合强度可通过驱动场进行调节，使得在单光子弱耦合条件下也能实现强的光学非线性，同时还分析了在当前实验条件下实现光子阻塞和光子诱导隧穿效应的可行性；8. 提出利用电-光力混合系统可在弱耦合条件下实现光波光子和微波光子的强关联。另外，还实验研究了具有不同长度的香肠状三维回音壁微腔的传输特性和基于振铃现象的回音壁模式传感。这些成果将对量子系统间相干操控的实验研究和微腔实验的传感研究有重要的指导作用。