里德堡原子基态阻塞与反阻塞效应及其在量子信息处理中的应用

As the physical carrier of qubit, neutral atoms is regarded as one of the candidates for quantum computing. On the one hand, it possesses long-lived encoding of quantum information in atomic hyperfine states and easy to be manipulated; On the other hand, their state dependent interaction properties will lead to Rydberg blockade and Rydberg antiblockade. Generally it is required a resonant interaction between ground state and excited Rydberg state when considering the effects of Rydberg blockade and Rydberg antiblockade, which can induce decoherence for quantum system due to the spontaneous emission of excited Rydberg state. To overcome the above problem based on our previous works, we will put forward robust quantum information processing with Rydberg atoms. The specific contents of our research plan includes: 1.Combining with the quantum Zeno effect, we propose a theoretical scheme for ground-state blockade mechanism of Rydberg atom; 2.Under the condition of Rydberg antiblockade, we preserve the detuning of the bi-excitation for atoms and manipulate quantum states with quantum adiabatic passage or shortcuts to adiabatic passage, realizing the ground-state antiblockade mechanism; 3.We combine the Rydberg blockade with quantum feedback to generate stationary multipartite entanglement with weak coupling in cavity QED system. Our work aim to provide a theoretical model for future realization of large-scale quantum computation.

作为量子比特的物理载体，中性原子被认为是实现量子计算的候选者之一。一方面它具有稳定的能级用于量子信息编码并且容易操控；另一方面由于原子之间的相互作用与它们所处的能级相关，会形成里德堡阻塞效应以及反阻塞效应。通常阻塞与反阻塞条件需要基态与激发的里德堡态产生共振相互作用，这势必会导致由激发态自发辐射引起的量子系统退相干。为了解决上述问题，我们拟结合自身的工作基础，提出基于里德堡原子鲁棒性地实现量子信息处理的方案。本项目主要研究内容如下：1.结合量子芝诺效应，提出实现里德堡原子基态阻塞机制的理论方案；2.在里德堡反阻塞条件下，保留双原子跃迁频率的失谐并采用绝热技术或绝热捷径技术对量子态进行操控，实现基态反阻塞机制；3.将里德堡阻塞效应与量子反馈相结合，在弱耦合的腔QED系统中制备稳定的多体纠缠态。我们的工作旨在为未来实现大规模量子计算提供理论依据。

中性原子被认为是一种颇具实现量子信息处理前景的物理系统。根据驱动场频率的不同可以产生里德堡阻塞和反阻塞现象。本项目从抑制由激发态耗散的角度着手，通过设计合适的物理模型，构建中性原子基态之间的阻塞与反阻塞相互作用。主要开展了“基于里德堡原子基态阻塞与基态反阻塞制备量子最大纠缠态”、“基于范德瓦尔斯和偶极耦合的相互作用实现非传统里德堡泵浦机制”、“基于非传统里德堡泵浦实现多比特受控逻辑门”和“基于量子跳跃反馈设计开放里德堡量子电池的稳定充电”。主要科学发现：相较于基态原子之间的拉曼跃迁，里德堡反阻塞起到了频繁测量两个基态中的一个基态的作用，导致相应量子态的双占据产生阻塞效应，有效增加了中性原子基态之间的相互作用强度；当施加两个具有不同拉比频率的经典场驱动里德堡原子跃迁时，系统的动力学演化与原子所处的状态有着密切联系，原子是否发生跃迁取决于系统是否处于相同的基态，这是一个不同于里德堡阻塞以及里德堡反阻塞的新机制，我们称之为非传统里德堡泵浦效应；基于非传统里德堡泵浦效应以及引入高斯含时调制，我们可以获得一步实现的多个控制比特和多个目标比特的受控非门，并且方案对系统的操作时间和环境噪声等参数的波动具有更强的鲁棒性；我们将基于量子跳跃的反馈控制机制引入到了量子电池的充电协议中。当探测器测量到原子集体衰减的信号时，立即触发对充电器的反馈控制，然后以期望的形式主动控制量子系统，以补偿环境对量子电池的影响。上述研究结果发表在Physical Review A和Optics Letters等国际主流物理学期刊上，为未来实现大规模量子计算提供理论依据。