近期，華中科技大學(xué)國(guó)家精密重力測(cè)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(jìn)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(shí)現(xiàn)了里德堡原子之間相互作用的跨數(shù)量級(jí)、連續(xù)調(diào)控。基于這一機(jī)制，課題組在低激發(fā)里德堡態(tài)中實(shí)現(xiàn)了高效量子操作，展示了兩個(gè)數(shù)量級(jí)的量子操作加速，及單光子級(jí)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(jì)算等領(lǐng)域，實(shí)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(qiáng)大的相互作用，因而是進(jìn)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(qiáng)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(qiáng)的相互作用，但也面臨著一個(gè)重要挑戰(zhàn)。里德堡態(tài)對(duì)外界電場(chǎng)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(chǎng)擾動(dòng)導(dǎo)致退相干。主量子數(shù)較低的里德堡態(tài)對(duì)于外界電場(chǎng)更加魯棒，易于實(shí)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(duì)這一矛盾，李霖課題組與北京自動(dòng)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(jìn)行量子調(diào)控，可以實(shí)現(xiàn)相互作用強(qiáng)度的跨數(shù)量級(jí)增強(qiáng)，同時(shí)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(shí)實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)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(qiáng)
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(shí)現(xiàn)相互作用的提升，并實(shí)現(xiàn)了量子操作的數(shù)量級(jí)加速。研究團(tuán)隊(duì)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(duì)光學(xué)非線性的調(diào)節(jié)上，在實(shí)現(xiàn)單光子級(jí)別的非線性的同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)大動(dòng)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(shí)驗(yàn)中，該技術(shù)實(shí)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(dòng)力學(xué)演化過程中對(duì)波函數(shù)進(jìn)行操控，從而對(duì)哈密頓量進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控，可用于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的時(shí)變哈密頓量。
這項(xiàng)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(shí)現(xiàn)了跨數(shù)量級(jí)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(jì)算中的量子邏輯門操作速度也反比于里德堡相互作用強(qiáng)度，這一進(jìn)展在量子計(jì)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(shì)，這一結(jié)果有望用于分布式量子計(jì)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(dòng)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委和華中科技大學(xué)精密重力測(cè)量國(guó)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(shí)驗(yàn)進(jìn)展。
論文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6633/ad847e
