近期，華中科技大學國家精密重力測量科學中心及物理學院李霖教授課題組在里德堡原子相互作用調控領域取得重要進展。課題組發展了基于里德堡綴飾態技術的波函數精密操控方法，實現了里德堡原子之間相互作用的跨數量級、連續調控。基于這一機制，課題組在低激發里德堡態中實現了高效量子操作，展示了兩個數量級的量子操作加速，及單光子級別非線性的連續調控。這一結果有望應用于里德堡量子光學及量子計算等領域，實現快速、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"為題發表于《Reports on Progress in Physics》雜志。

基于里德堡綴飾態的相互作用調控示意圖

近年來，里德堡原子系統因其優異的量子屬性得到廣泛關注，其中高激發態(例如主量子數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n的十一次方提高，因此，選用高激發的里德堡態可以獲得更強的相互作用，有益于提升量子操作速度。

然而，高激發里德堡態雖然具有較強的相互作用，但也面臨著一個重要挑戰。里德堡態對外界電場的敏感度隨主量子數的七次方提升，因此高激發里德堡態易受外界電場擾動導致退相干。主量子數較低的里德堡態對于外界電場更加魯棒，易于實現更好的相干性，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，在波函數層面進行量子調控，可以實現相互作用強度的跨數量級增強，同時也極大地提升了相互作用程。這一想法在低激發里德堡態下更加顯著，有望同時實現較強的相互作用和較好的量子相干性。

里德堡綴飾態方案及相互作用增強

課題組選取主量子數n～47的低里德堡態，通過不同的激發參數、綴飾參數來實現相互作用的提升，并實現了量子操作的數量級加速。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非線性的調節上，在實現單光子級別的非線性的同時，可以實現大動態范圍的連續改變。例如，在制備高質量里德堡單光子的實驗中，該技術實現了超過40倍的操作速度提升。該技術還具有可編程性，可以在動力學演化過程中對波函數進行操控，從而對哈密頓量進行動態調控，可用于實現復雜的時變哈密頓量。

這項研究不僅在低激發里德堡態的相互作用調控方面提出了新的技術路徑，實現了跨數量級的連續調控能力，還為發展快速、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用。結合里德堡原子在原子-光子信息轉換方面的優勢，這一結果有望用于分布式量子計算等前沿領域。

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。華中科技大學為第一完成單位。該工作得到了科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金委和華中科技大學精密重力測量國家重大科技基礎設施的支持。李霖教授從2010年開始從事里德堡原子量子信息相關研究，課題組近年來在基于里德堡原子的高質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