基于里德堡原子的非线性量子光学及量子通讯研究

Due to the strong atom-atom interaction and its applications in quantum information and communication, in recent years considerable attention has been paid to the study of ultracold Rydberg atoms. In this project, we shall make the investigation on the nonlinear spatiotemporal dynamics of light in Rydberg atomic gases, which include: (i) Develop a theoretical framework beyond mean-field approach to calculate the master equations and investigate the spatially nonlocal effect of interacting Rydberg atomic system. (ii) By manipulating the systemic parameters, i.e., the interaction between atoms and the intensity of light field, we can study spatial modulation instabilities and self-organization of light. (iii) Develop the effective numerical methods to investigate various new types of high-dimensional nonlinear localized excitations (e.g., optical vortex and spatiotemporal optical bullets). Explore the possibility for storage and retrieval of spatiotemporal light bullets; Calculate and optimize the efficiency and fidelity of the light in the storage process. (iv) Store gate photon as Rydberg spin wave to prepare an array of gate atoms so as to study the quantum reflection for the light field and propose a scheme to realize all-optical switches. The implementation of this proposal is of importance for the understanding of the nonlinear optical physics in Rydberg atoms and has potential applications in quantum communication.

由于里德堡原子之间的强相互作用及其在量子信息与量子通讯中的应用，近年来超冷里德堡原子的研究倍受科学工作者们的青睐。本项目将围绕里德堡原子中光的非线性时空动力学特性开展研究，内容包括：(1) 发展超出平均场近似的理论方法，计算系统的主方程及原子之间的时空关联，研究里德堡原子系综中光场的空间非局域效应。(2) 控制原子间的相互作用、光场的强度等物理参量，研究里德堡原子中光场的空间调制不稳定性以及空间自组织行为。(3) 发展有效数值方法，探究里德堡原子气体中光场可能形成的各种非线性时空局域结构，包括空间涡旋光，时空光子弹等；探讨实现时空光子弹的存储与读取的可能性，计算并优化存储的效率和保真度。(4) 在原子系统中制备里德堡自旋波，形成门原子阵列，研究里德堡原子系统中光的量子反射效应，探讨实现全光开关的具体方案。该项目的研究对于揭示里德堡原子体系中的非线性光物理及其在量子通讯中的应用均有重要意义。

由于里德堡原子之间的强相互作用及其在量子信息与量子通讯中的应用，近年来超冷里德堡原子的研究倍受科学工作者们的青睐。本项目开展了里德堡原子中光的非线性时空动力学特性的研究，内容包括：（i） 发展了超出平均场近似的理论方法，计算系统的主方程及原子之间的时空关联，研究了里德堡原子系综中光场的空间非局域效应。发展了有效数值方法，探究了里德堡原子气体中光的各种非线性时空局域结构，包括高维涡旋光，时空光子弹等。（ii）通过制备里德堡自旋波，设计门原子阵列，研究了里德堡原子系统中光的量子反射效应，探讨了实现全光色散开关的具体方案。（iii）基于里德堡缀饰的原子系综，利用了光的自感应透明效应实现纳秒脉冲激光在室温里德堡气体中的稳定传输，得到了相互作用相关的脉冲传输面积定理。该项目的研究对于揭示里德堡原子体系中的非线性光物理，发展室温可移动量子科技均有重要意义。