近期，華中科技大學(xué)國家精密重力測量科學(xué)中心及物理學(xué)院李霖教授課題組在里德堡原子相互作用調(diào)控領(lǐng)域取得重要進展。課題組發(fā)展了基于里德堡綴飾態(tài)技術(shù)的波函數(shù)精密操控方法，實現(xiàn)了里德堡原子之間相互作用的跨數(shù)量級、連續(xù)調(diào)控?；谶@一機制，課題組在低激發(fā)里德堡態(tài)中實現(xiàn)了高效量子操作，展示了兩個數(shù)量級的量子操作加速，及單光子級別非線性的連續(xù)調(diào)控。這一結(jié)果有望應(yīng)用于里德堡量子光學(xué)及量子計算等領(lǐng)域，實現(xiàn)快速、高連接性的量子操作及高深度量子線路。該成果以"Continuously tunable single-photon level nonlinearity with Rydberg state wave-function engineering"為題發(fā)表于《Reports on Progress in Physics》雜志。
基于里德堡綴飾態(tài)的相互作用調(diào)控示意圖
近年來，里德堡原子系統(tǒng)因其優(yōu)異的量子屬性得到廣泛關(guān)注，其中高激發(fā)態(tài)(例如主量子數(shù)n~100)的里德堡原子之間具有強大的相互作用，因而是進行量子信息處理的絕佳系統(tǒng)之一。通常來說，里德堡原子之間的范德瓦爾斯相互作用隨著主量子數(shù)n的十一次方提高，因此，選用高激發(fā)的里德堡態(tài)可以獲得更強的相互作用，有益于提升量子操作速度。
然而，高激發(fā)里德堡態(tài)雖然具有較強的相互作用，但也面臨著一個重要挑戰(zhàn)。里德堡態(tài)對外界電場的敏感度隨主量子數(shù)的七次方提升，因此高激發(fā)里德堡態(tài)易受外界電場擾動導(dǎo)致退相干。主量子數(shù)較低的里德堡態(tài)對于外界電場更加魯棒，易于實現(xiàn)更好的相干性，但其相互作用較弱，難以用于量子信息處理。
針對這一矛盾，李霖課題組與北京自動化控制設(shè)備研究所的常越研究員及中科院理論物理研究所的石弢研究員合作，提出了新的思路：通過耦合不同宇稱的里德堡態(tài)，在波函數(shù)層面進行量子調(diào)控，可以實現(xiàn)相互作用強度的跨數(shù)量級增強，同時也極大地提升了相互作用程。這一想法在低激發(fā)里德堡態(tài)下更加顯著，有望同時實現(xiàn)較強的相互作用和較好的量子相干性。
里德堡綴飾態(tài)方案及相互作用增強
課題組選取主量子數(shù)n～47的低里德堡態(tài)，通過不同的激發(fā)參數(shù)、綴飾參數(shù)來實現(xiàn)相互作用的提升，并實現(xiàn)了量子操作的數(shù)量級加速。研究團隊利用里德堡原子與光子良好的交互屬性，將這一能力拓展到對光學(xué)非線性的調(diào)節(jié)上，在實現(xiàn)單光子級別的非線性的同時，可以實現(xiàn)大動態(tài)范圍的連續(xù)改變。例如，在制備高質(zhì)量里德堡單光子的實驗中，該技術(shù)實現(xiàn)了超過40倍的操作速度提升。該技術(shù)還具有可編程性，可以在動力學(xué)演化過程中對波函數(shù)進行操控，從而對哈密頓量進行動態(tài)調(diào)控，可用于實現(xiàn)復(fù)雜的時變哈密頓量。
這項研究不僅在低激發(fā)里德堡態(tài)的相互作用調(diào)控方面提出了新的技術(shù)路徑，實現(xiàn)了跨數(shù)量級的連續(xù)調(diào)控能力，還為發(fā)展快速、高保真度、高深度的量子線路提供了新的可能性。由于里德堡量子計算中的量子邏輯門操作速度也反比于里德堡相互作用強度，這一進展在量子計算中也有潛在應(yīng)用。結(jié)合里德堡原子在原子-光子信息轉(zhuǎn)換方面的優(yōu)勢，這一結(jié)果有望用于分布式量子計算等前沿領(lǐng)域。
該研究的共同第一作者為博士生徐彪、葉根生和北京自動化控制設(shè)備研究所的常越研究員。李霖教授與常越研究員為共同通訊作者。主要合作者還包括中科院理論物理研究所的石弢研究員。華中科技大學(xué)為第一完成單位。該工作得到了科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委和華中科技大學(xué)精密重力測量國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施的支持。李霖教授從2010年開始從事里德堡原子量子信息相關(guān)研究，課題組近年來在基于里德堡原子的高質(zhì)量單光子源及光量子邏輯門(Nature Communications, 13, 4454 (2022))，高保真度量子糾纏操作(Nature Photonics, 17, 538 (2023))，原子陣列量子信息(arXiv:2410.15455 (2024))等方面取得了重要實驗進展。
論文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6633/ad847e
