项目来源：科技部

项目编号:2016YFA0302800

项目名称：基于里德堡阻塞的光子与原子量子态源的研究

项目负责人：许鹏

项目摘要：

    量子关联是量子力学的精髓，集中反映了量子世界的相干性、或然性和空间非定域性。利用关联的光子和原子作为量子态源的量子精密测量技术可以突破传统测量技术极限。但是，纠缠原子的高效产生严重受限于中性原子间微弱的相互作用，而极弱的单光子水平非线性相互作用也制约着可扩展关联光子的产生。最近，国内外对于冷原子里德堡态的研究有可能突破上述制约。如：基于冷原子里德堡态的长程偶极相互作用，国际上已有三个小组实现了两个原子的纠缠，为扩展到原子数目确定的多原子纠缠提供了可行的途径。同时国际上利用冷里德堡原子集体激发态来实现光子间的非线性相互作用也取得了突破，不但实现了单光子的制备，还实现了两个光子间的可控相互作用，为解决目前采用后选择来制备多光子纠缠态所面临的扩展性难题提供了全新的思路。
因此，本项目拟基于里德堡阻塞效应，利用原子里德堡态的长程相互作用，在单原子阵列中高效地制备原子数目确定的三到五个原子的纠缠作为原子量子态源；同时在冷原子系综里利用里德堡态增强的单光子非线性相互作用，实现高品质单光子(g(2)(0)<0.1)和固定时间间隔的关联单光子流(6-10 个)作为光子量子态源；以此完成项目指南中“实现新型光子与原子量子态源”，为突破传统测量极限提供支撑。 针对上述研究目标，本项目拟发展超绝热受激拉曼转移的关键技术，解决多原子条件下里德堡态激发效率低、速度慢的问题；以此为基础，一是在单原子阵列中，研究多原子阵列确定性制备技术，基于原子里德堡阻塞（Rydberg Blockade）实现三到五个原子的纠缠，并探索原子数目确定的多原子纠缠对单原子干涉仪位相测量精度的影响；二是在冷原子系综中，研究基于冷里德堡原子的单集体激发态；研究单集体激发态之间长程偶极相互作用的非经典光子态的产生；研究基于里德堡集体激发态的一维Wigner 晶体的制备，产生高品质单光子和固定时间间隔的关联单光子流；三是在理论上考虑粒子之间的多体关联效应，探索超越平均场近似的可能理论框架与数值模拟方法，为实验提供理论计算的支持，同时提出纠缠原子和光子在精密测量应用中的新方案。
    本项目将依托于中科院武汉物理与数学研究所的“波谱与原子分子物理国家重点实验室”和华南师范大学的“广东省量子调控工程与材料重点实验室”的平台进行。项目团队的主要成员针对本项目的研究内容都具备丰富而扎实的积累。在单原子阵列方面，许鹏团队完成了一系列单原子量子调控的实验：首次实现了自由空间中蓝失谐阱的单原子囚禁（Opt. Lett., 2010）；首次提出并实现了一种“超级纯净”的碰撞反应平台，并精确测量了铷-85 和铷-87 原子基态碰撞损失速率 （Nat. Commun., 2015）；这些工作体现了我们对单原子的操控能力。在冷原子系综方面，颜辉团队利用冷原子系综上产生了亚自然线宽的偏振纠缠光子对，解决了这个领域长期困扰的难题（Phys. Rev. Lett.，2014）；还利用四波混频在冷原子系综中首次产生了窄线宽超纠缠光子对，并首次产生了任意波形单光子（Phys.Rev. Lett.，2011、Phys. Rev. Lett.，2010）；为我们在项目中产生高品质单光子和关联单光子流打下了坚实的研究基础。理论研究方面，朱成杰团队在超冷量 子气体中的集体激发及其相互作用等方面取得了一系列理论研究成果，例如超冷量子气体中拉曼散射的研究（Phys. Rev. Lett. 2013）、玻色爱因斯坦凝聚体中利用量子相干操控实现白洞视界的模拟（Phys. Rev. Lett. 2014）等，这些工作将为项目的开展提供积极的理论支持。 三个研究团队将密切合作并努力攻关，在完成预期研究目标的基础上，拟发表SCI文章30 篇以上。本项目的研究成果不仅为获得突破传统测量技术极限的新型量子精密测量技术奠定基础，为指南的目标的实现提供有效支撑；而且纠缠的原子和可控相互作用的光子在量子模拟、量子通信、量子计算的领域也有广泛而重要的应用。