多波混频对热原子系综中里德堡相互作用的相干控制

One of the core problems for quantum information is the ideal information carrier. Currently, the neutral Rydberg atoms are considered as the most potential candidate for realizing quantum logical operation, and the Rydberg-Rydberg interations in a mesoscopic atomic ensamble has been investigated extensively. In the current project, we develop a method based on electromagnetically induced transparency (EIT) assisted multi-wave mixing (MWM) processes to coherently control the interaction between Rydberg atoms in thermal atomic vapor, which can provide fundamental support for the quantum information processing at room temperature. The main research involves four sections including implementing the coherent control of Rydberg-Rydberg interaction by MWM processes; the phase modulation in Rydberg dressing MWM processes; the beam propagation characteristics of the Rydberg MWM with spatial phase modulation; and the nonlinear optical properties and quantum optical properties in Rydberg MWM processes. In the meanwhile, the EIT technique and MWM process can realize the nondestructive detection of Rydberg information, which can effectively promote the practical use of quantum infromation processing based on Rydberg atoms. Compared with the scheme in ultrcold environment, the mechanism in room temperature can be more suitable for practical applications.

理想的量子信息载体是量子信息科学面临的一个重要核心问题。目前，中性里德堡原子被认为是实现量子逻辑运算最具潜力的信息载体，基于介观原子系综中里德堡相互作用的研究已经成为国内外广泛关注的热点问题之一。本项目以电磁感应透明技术辅助的里德堡多波混频过程为手段，探讨室温下多能级原子气体中里德堡相互作用的相干控制机制，为室温条件下的量子信息处理提供物理和技术基础。重点研究多波混频对里德堡相互作用的相干控制、里德堡相互作用对多波混频过程的相位调控、空间相位调制的里德堡多波混频信号的传输特性、以及里德堡多波混频过程中的非线性效应和量子效应。本项目的研究意义在于，利用电磁诱导透明和多波混频过程可以实现对里德堡信息的无损探测，这对推进里德堡原子在量子信息处理中的应用有着根本意义，而且相比于超冷原子系统，室温环境下获得的里德堡相互作用更切合于实际应用。

理想的量子信息载体是量子信息科学面临的一个重要核心问题。近年来，中性里德堡原子被认为是实现量子逻辑运算最具潜力的信息载体之一，基于介观原子系综研究里德堡相互作用已经成为国内外广泛关注的热点。本项目以电磁感应透明技术辅助的里德堡多波混频过程为手段，揭示室温下多能级原子气体介质中里德堡相互作用的相干控制机制，为室温条件下的量子信息处理提供物理和技术基础。在项目执行期取得如下研究成果：1.通过五束激光耦合一个五能级原子系统，在实验上观测到电磁诱导透明窗辅助的里德堡多波混频过程；2.实验揭示里德堡六波混频、荧光以及探测场透射信号之间的强度关联；3. 在多能级原子系统中观测到新型的光学双稳现象，比较其传统双稳的区别，并实验揭示了真空Rabi分裂与双稳之间的关系；4. 在实验上借助空间光调制器制备涡旋光束，在原子介质中通过原子相干过程产生携带轨道角动量信息的多波混频信号，并研究其在非线性介质中的传输效应。5. 在实验上获得共存的里德堡态六波混频和八波混频信号，并理论和实验研究了共存多波混频信号的参量放大过程，参量放大可以有效抵消里德堡激发阻塞对信号强度的抑制，从而提高里德堡多波混频信号的信噪比；6. 基于里德堡原子的电磁感应透明效应揭示热原子气体中的光子-光子相互作用。相关成果研究发表SCI期刊论文10余篇，获得陕西省科学技术二等奖，其科学意义在于，利用电磁诱导透明和多波混频过程可以实现对里德堡信息的无损探测，这对推进里德堡原子在量子信息处理中的应用有着根本意义，而且相比于超冷原子系统，室温环境下获得的里德堡相互作用更切合于实际应用。