里德堡原子系统中的新物理及其在量子信息中的应用

Rydberg atom platform is one of the candidates used for quantum computation since it has long lifetime and easy to be operated. Rydberg atoms interact with each other with the internal-state-related interaction that induces another interesting phenomenon, Rydberg blockade. In other words, the resonant laser cannot excite two or more atoms in one Rydberg ensemble. Through modulating the frequency of the driving laser suitably, one can get the Rydberg anti-blockade regime, which is entirely different from Rydberg blockade. Until now, most of the schemes have studied the Rydberg blockade and anti-blockade between two Rydberg atoms. However, for the case of the multiple-atom, there are some problems which need urgently dealt with. On the other hand, Rydberg interactions would induce the mechanical effects inevitably. How to weaken the mechanical effects is also worth studying. For this reason, in this program we mainly focused on two points. (i) Constructing multiple Rydberg anti-blockade regime and studying the applications of the multiple Rydberg blockade and anti-blockade regimes in the quantum information processing. (ii) Studying the Rydberg anti-blockade regimes and its applications under the weaken mechanical environment, including the adiabatic passage method and the Rydberg dressing method. Our study is able to enrich the physics of the Rydberg atom and broaden the applications of Rydberg atom in quantum information processing.

里德堡原子具有能级寿命长和易于操控的特点，是实现量子计算的候选者之一。里德堡原子之间存在跟内部量子态有关的相互作用，诱导了它的另一个迷人之处-----阻塞效应，即在一个系综内不能有两个或两个以上的原子处在里德堡态。通过适整泵浦光的频率，可以实现跟里德堡阻塞迥然不同的物理现象，里德堡反阻塞。目前多数方案研究的是两体里德堡系统的阻塞和反阻塞，多体里德堡反阻塞机制的构建还有待研究。另一方面，里德堡相互作用会导致力学效应，如何弱化力学效应对基于里德堡原子的量子信息的影响同样值得探讨。鉴于此，本项目主要研究：1. 构建多体里德堡反阻塞机制并研究多体里德堡阻塞和反阻塞机制在量子信息处理中的应用。2. 在弱化力学效应的模式下研究新的里德堡反阻塞机制及其应用，主要包括利用绝热通道和缀饰态方法研究里德堡反阻塞机制及其应用。我们的研究能够丰富里德堡原子的物理、拓宽里德堡原子在量子信息中的应用。

里德堡原子寿命长，不同的里德堡原子之间有直接的里德堡相互作用，另外里德堡相互作用的类型和强度可以通过外部电场进行调节，这些特性有利于实现里德堡原子量子逻辑操作。最近哈佛大学课题组已经实现了256个里德堡原子的量子模拟，该实验进一步为大尺度的量子计算提供了有力支持。.基于此，本项目进行了以下的研究，主要包括（1）对里德堡反阻塞的探索。在此项研究内容中，我们利用高阶微扰理论给出了多体里德堡反阻塞的严格条件[Phys. Rev. A 98 032306 (2018)]。同时利用缀饰态方法给出了两体里德堡偶极反阻塞的条件[Phys. Rev. A 104, 033716 (2021)]。理论计算结果表明，我们提出的方案能够一步实现vdW相互作用下的里德堡多体反阻塞和偶极量子反阻塞，在合适的参数区间，其保真度均高于0.99。（2）对里德堡几何量子计算的探索。我们在里德堡原子系统中提出了非绝热非循环几何量子计算的概念[Phys. Rev. Research 2, 043130 (2020)]，该方法不需要满足循环条件即可实现需要的量子门操作，由于所需时间较短，因此对退相干误差具有较强的鲁棒性。基于此我们在实验上演示了非绝热非循环几何量子计算的鲁棒性[Phys. Rev. Lett. 127, 030502 (2021)]；此外，我们也结合绝热捷径和非阿贝尔几何相位研究了里德堡原子系综里面实现几何量子计算操作的可行性[Phys. Rev. A 102, 042607 (2020)]，结果表明，在给定的参数下，方案的保真度可以高于0.999，在系统参数波动10%的情况下，其保真度仍高于0.993。（3）对里德堡原子量子算法的探索[Advanced Quantum Technology 4, 2100093 (2021)]，在这篇论文中，我们利用超鲁棒脉冲在里德堡原子中实现了量子D-J算法，该方案比利用动力学脉冲实现的算法更具有鲁棒性。.我们的研究进一步研究了里德堡反阻塞的物理过程，探讨了利用几何相位和优化控制技术实现里德堡量子逻辑门的可行性，同时也率先关注了如何在里德堡原子中利用几何相位实现鲁棒的量子算法。对于实验上实现里德堡量子逻辑门和量子计算具有一定的理论参考价值。