运动里德堡原子中的相干激发和量子纠缠研究

With the development of modern laser cooling and trapping techniques, theoretical and applied studies on features of coherent Rydberg excitation have been attracting great attention. The strong dipole-dipole interaction between Rydberg atoms results in some unique properties of coherent exaction and quantum correlation in a Rydberg atomic system. In this project, we will investigate the coherent excitation and quantum entanglement when the coupling between the freedom of center-of-mass motion and the internal states of the atom is taken into account with the strong dipole interaction. Besides the basic properties in a motionless atomic system, this system also exhibits some novel features. On the one hand, new physical natures can be found in this quantum interface between the moving atoms and flying photons. On the other hand, this will bring some novel theories and promote the development of quantum information technology. Detailed contents of our research plan are two-fold as given follows. The first one: when the van der Waals interaction between Rydberg atoms is taken into account, we consider how to prepare the high quality quantum entangled states by the dynamical dipole blockade and antiblockade effects. And the physical natures of coupling between the atomic excitation and classical motion will also be investigated. The second one: Under the long-range dipole-dipole interaction condition, nearly lossless transport of quantum entanglement can be achieved between atoms in two energetically close Rydberg states during the process of the coherent excitation migration and the atomic motion. Furthermore, we will investigate the energy transfer whose behaviors like “Newton Cradle” and explore in depth the properties of quantum entanglement such as“sudden death”in this system.

随着现代激光冷却和捕获技术的发展，关于里德堡原子激发特性的理论和应用研究引起人们的广泛兴趣。里德堡原子独特的激发和关联行为来源于原子间强烈的偶极-偶极相互作用。在偶极作用下，计及原子质心运动自由度与原子内态的相互耦合，我们拟研究运动里德堡原子的相干激发和量子纠缠特性。该研究不但涵盖静止里德堡原子具有的基本特点外还会呈现出新特色。一方面凸显运动原子和飞行光子的量子界面新的物理内涵，另一方面也能带来新理论，促进量子信息技术的发展。具体研究内容：一是考虑原子间van der Waals相互作用，在光学相干驱动运动的里德堡原子中利用动态偶极阻塞和反阻塞效应制备高品质纠缠态，探究原子激发与原子经典运动耦合的物理本质；二是在长程偶极相互作用下，在两个近邻里德堡能级间利用激发迁移和经典运动的耦合特性来实现远距离的无损量子纠缠传输，探究与“牛顿摆”类似的能量传递性质以及深入研究诸如纠缠猝死等量子纠缠特性。

里德堡原子寿命长，电偶极矩强，这种易操控的特性使得它成为量子操控方面的最佳优选者。在激光相干驱动下，强烈的偶极-偶极相互作用改变了原子的独立激发行为：一个里德堡原子激发会抑制周围原子的激发，从而产生偶极阻塞效应，因此里德堡原子系综会强烈地关联起来。偶极阻塞效应在超精密测量，量子信息处理和量子计算等方面具有非常重要的应用。. 我们研究运动里德堡原子系综的相干激发和量子纠缠行为。具体如下。.计及原子之间范德华强相互作用，深入考察里德堡电磁感应透明中的非线性性质，掌握了偶极阻塞效应对单光子激发迁移，原子运动，双光子关联以及相位影响的规律。. 当范德华相互作用与两体退相位同时存在时，两体退相位会增强偶极阻塞效应，直接表现为明显扩大偶极阻塞半径，一定程度能将范德华力主导的反阻塞区域变为严格的偶极阻塞区域。利用电磁感应透明技术揭示两体退相位带来新颖的非线性光学性质，探明原子样品链式结构中里德堡原子激发迁移和量子关联传输的物理机制。. 在弱微波场存在的情况下，研究锶原子的里德堡三重态激发性质。锶原子自旋三重态的自发弛豫速率远小于碱金属原子自旋单态，当微波场远远弱于探测场和相干场时，吸收峰的间距与拉比频率成正比，允许我们利用锶原子的共振荧光作为弱微波场的传感器，使得开发独特的超精密里德堡微波探测计成为可能。. 将偶极阻塞效应与超级原子概念结合，考察里德堡集体激发和集体态纠缠的动力学或稳态行为。实现了可调控原子数目，鲁棒性好的量子纠缠态，同时得到里德堡原子激发迁移与量子纠缠态的一般规律。. 量子纠缠作为量子信息处理和量子计算的核心物理资源，在量子科技中充当不可或缺的角色。实现多原子的集体纠缠，会促进量子网络与量子计算的发展，有利于深入研究经典-量子对应关系。里德堡原子微波探测理论有望实现超精密测量领域的突破；两体退相位的研究拓展了里德堡阻塞概念，发展了光与原子相互作用的量子界面理论。