里德堡原子系综中光子相互作用的动态操控及其应用

Mapping the strong interaction between Rydberg atoms onto single photons via electromagnetically induced transparency (EIT) enables manipulation of light at the single-photon level and promotes the development of quantum photonic devices, quantum logical gate and all-optical quantum information processing technology. Photon pulses are not point particles but are wavepackets carrying continuously distributing frequencies and their interaction evolve continuously in space and time, thus the simplified models for continuous fields are not applicable anymore. An approach that efficiently simulates the dynamical processes is needed. The specific contents based on the completely dynamical evolution approach of interacting photon pulses in Rydberg medium are: 1) Optimize the theoretical and numerical methods for photon pulses evolutions, describe the clear physics image of two- and three-photon bound states; 2) Control the switch of photon pulse reflection and transmission channel, design the photon switch, transistor and other all-optical quantum devices; 3) Full quantum method will be used to realize the high-quality optical logic operations with considering the intensity and space distribution of photon-photon interaction. The research will help to providing a feasible plan for many-body effects of Rydberg atoms, novel all-optical quantum devices, quantum logics gate and other core devices in quantum information field.

由里德堡原子的电磁感应光透明（EIT）效应产生的光子-光子相互作用为构建量子逻辑门、设计光量子器件和发展全光量子信息处理技术提供了重要手段。光子是具有空间分布的波包且光子间相互作用是随时间、空间连续演化的，里德堡-EIT相关工作中用于连续光场的简化模型不再适用，因此需要一个有效的方法来模拟其动态演化过程。本项目拟基于光子在里德堡-EIT介质中的动态操控手段开展以下三方面工作：1）优化光子脉冲演化的理论和数值模拟方法，给出双光子及多光子束缚态的清晰图像；2）通过调控信号光脉冲反射和透射通道的开关，设计光子开关和晶体管等全光量子器件；3）采用全量子手段，考虑光子间相互作用的强度和空间分布，寻求制备高保真量子逻辑器件的有效方法。本项目的研究将为里德堡原子多体效应、新型全光量子器件及量子逻辑门等量子信息领域核心器件的实际应用提供重要理论指导。

由里德堡原子的电磁感应光透明（EIT）效应产生的光子-光子相互作用可以被广泛用于量子逻辑门、光子束缚态的研究、单光子源、全光量子器件等，对量子信息处理具有重要意义。然而，光子是具有空间分布的波包且光子间相互作用是随时间、空间连续演化的，里德堡-EIT相关工作中用于连续光场的简化模型不再适用。因此，本项目利用光子的动态操控手段，在里德堡相干原子系综中对光子动态传输情况及应用展开深入研究。主要研究内容及成果：描述了光子在超冷里德堡原子介质中传输过程中的各力学量的在空间、时间上的演化过程，并通过简单调制失谐即可实现单光子脉冲被吸收或是完全透过介质；通过开启和关闭耦合场实现光子在里德堡介质中的存储和提取过程，并通过调节参数最终给出存储和提取光子的最优方案；利用光子在里德堡-EIT介质中吸收和透射的奇异行为设计全光开关等量子器件，并考虑原子热运动实现了室温条件下的全光量子器件设计；为实现量子逻辑操作积累一个合适的条件相位，探究了影响光子-光子相互作用势空间分布的参数，获得空间分布均匀且任意强度的光子间相互作用，并通过调节相关参数克服逻辑操作中高保真度和较大条件相位不能兼得的限制，同时获得二者最优光学条件，为里德堡介质中实现高质量的光子-光子门操作提供理论基础；通过探究双腔光力学系统中的光力相互作用和腔模线性耦合相互作用之间的量子干涉效应，实现完美的光学非互易性；探究光场在周期性光子晶体介质中传输的非互易性奇异行为以及全光锁定技术，有效提升了光学传感器件的探测灵敏度。上述研究成果发表在Physical Review A和Optics Express等国际主流期刊上，为全光量子器件和微型光学传感器的发展起到了重要的理论支撑作用。