Rydberg Blockade条件下的量子相干与量子信息处理的研究

Rydberg atoms with special internal structure can provide strong dipole-dipole interaction. In an ensemble of Rydberg atoms, there is Rydberg blockade constrained in certain volume. Via Rydberg blockade, coherent manipulation on atomic states can be effectively performed and many novel physical phenomena can be produced. Under the condition of blockade, here we will try to build the theory of coupling between cold Rydberg atoms and lasers, study the electromagnectically induced transparency（EIT） when the system is in resonance and phase matching, and discuss the effect of blockade on the absorption and dispersion of a pulsed light and on transmission of group velocity, and build the theory of slow light in the system of cold Rydberg atom; By the technology of EIT, optical four wave-mixing is studied based on blockade effect; Finally, through coherently manipulating cold Rydberg atoms via blockade, we will finish preparation of cluster state and implemention of quantum algorithm. Our studies will generate the profound influence on quantum coherent manipulation, quantum information storage and qauntum computation.

Rydberg原子特殊的内部结构使其能够提供强的偶极-偶极相互作用。在该体系中，Rydberg blockade(原子封锁)效应存在于一定的空间范围内。利用这种效应可以有效地对原子状态进行相干操控，由此产生许多新奇的物理现象。在Rydberg blockade效应存在的条件下，本项目致力于建立冷Rydberg原子与激光场相互耦合的理论，研究在共振和相位匹配条件下的电磁诱导透明现象，详细讨论blockade效应对脉冲光场吸收和色散的影响，对脉冲光场群速传输的影响，在冷Rydberg原子体系建立慢光传输理论；利用电磁诱导透明技术，研究基于blockade效应的光学四波混频现象；借助blockade效应，对冷Rydberg原子进行有效地相干操纵，完成簇态(cluster)的制备及量子算法的实施方案。拟开展的研究内容对量子相干控制、量子信息存储、量子计算等领域的发展将产生深远的影响。

基于量子调控的量子相干介质的非线性光学特性以及在量子信息处理中应用的研究一直以来是量子物理的热点问题。本项目在Redberg原子，量子受限结构等量子相干介质中开展此领域的研究。主要研究内容有：（1）在里德堡原子阻塞存在的条件下，建立冷里德堡原子与激光场相互耦合理论，研究了在共振和相位匹配条件的电磁诱导透明现象，详细讨论了里德堡原子阻塞对脉冲光场吸收与色散的影响。此外还研究了偶极偶极相互作用下的光学双稳态现象。(2) 研究了量子路由器与量子信息的保持。利用里德堡原子态的长寿命特点，克服原子系统的消相干，在波导与原子耦合系统，我们设计了一个只有两个输出端口的量子路由器，四能级原子作为量子路由器的节点，该路由器可以保持单光子通信的量子信息。(3)在真实的物理系统中，环境噪声对原子系统的影响是没有办法完全克服的，我们研究了量子多体系统在噪音环境中的非经典关联的产生和保存。首先，我们研究了有限周期的bang-bang脉冲对量子多体的真实纠缠在非马尔科夫环境中的影响，考察了不同的热库环境对多体量子纠缠的影响。此外我们还研究了退相干条件下的量子关联演化，研究在相位或振幅退相干环境中量子 discord 的动力学演化，特别关注是否有突然死亡和产生现象。（4）开展了超导量子电路中的量子相干现象及其量子纠缠的研究，在超导量子电路系统中展示微波脉冲的传播和微波相干效应，在强经典电磁场的驱动下，考虑微波腔场的弛豫，获得不同频率模式的三组份连续变量纠缠态。（5）最后开展基于原子与腔光力学杂化系统的量子现象研究。在原子低激发和高激发两种情况下，研究了光力诱导透明、慢光传输和机械振子的基态冷却。我们发表了系列高水平研究论文，获得江西省自然科学奖，我们对量子相干操控现象的研究，不仅有助于掌握相干非线性光学的新特性，而且在实际应用中也具有潜在的价值，对激光物理、激光光谱学、精密测量和量子信息处理的发展都将产生深远的影响。