近日，受应用物理领域旗舰期刊《Applied Physics Reviews》（中科院物理一区，IF= 11.9，五年IF=16.5）主编Chennupati Jagadish的邀请，物理学院邵晓强教授、吴金辉教授与郑州大学苏石磊副教授，华中科技大学李霖教授，印度科学教育与研究学院Rejish Nath副教授和英国诺丁汉大学李伟斌副教授联合发表了题为“Rydberg superatoms: An artificial quantum system for quantum information processing and quantum optics”的综述论文，并被编辑部遴选为期刊亮点论文（Featured Article）。
图1：（a）双原子里德堡阻塞现象 (b) 阻塞半径内由原子系综构成的里德堡超原子
里德堡原子因其大的原子尺寸和强的原子间相互作用而展现出独特的特性。这些原子的感应电偶极矩能够与外部电场耦合，从而通过激光和微波场来精确操控里德堡原子的电子态和运动状态。特别是里德堡原子之间的强烈长程偶极-偶极或范德华相互作用可以在超过10微米的宏观距离上显现。这为实现可扩展的量子信息处理架构、创建新型多体状态以及探索非线性量子光学奠定了基础。
里德堡物理的核心在于由强相互作用引发的集体行为。在里德堡态下，原子间的相互作用远强于激光拉比频率。因此，当一个原子被激发时，邻近一定距离内的其他原子会被抑制激发（即“封锁半径”）。在封锁半径内，系统只能占据多体基态和单激发的里德堡态。这样的集体态动力学可以通过“超原子”模型来描述，并可扩展至多原子系统，使得集体效应能够用于创建奇异的多体关联状态。这些潜力使里德堡原子成为量子模拟和量子计算的有力候选者。此外，里德堡原子间的强相互作用可以映射到光场上，产生显著的光学非线性。这在非线性量子光学的研究中以及在实现诸如单光子源、光子量子逻辑门、光子纠缠滤波器、单光子吸收器、单光子开关和单光子晶体管等光学量子设备中得到了广泛应用。
图2：实验中观测到的里德堡超原子拉比震荡
在本文中，我们专注于里德堡超原子的概念，特别强调它们作为原子与光子之间量子接口的作用。里德堡超原子是通过集体激发态形成的，其中多个原子表现出类似单个二能级原子的特性。这种集体行为不仅增强了量子态的相干性和可控性，还赋予接口新的电磁特性，使得在量子层面上实现光子-光子相互作用的操控成为可能。
里德堡原子的集体激发特性在推进量子信息处理和量子光学方面具有巨大的潜力。预计在未来几年中，将会有越来越多的实验成就和理论提案涌现，推动这一领域的快速发展。量子模拟、量子计算和量子光学应用是极具前景的研究方向。为了充分发挥里德堡原子系统的潜力，需开发新的方案和实验技术，以克服现有实验中的局限性（如自旋波退相干）。此外，通过结合不同的量子系统，可以利用各自的特性，实现独特的功能。里德堡激发与玻色-爱因斯坦凝聚体、囚禁离子、极性分子、机械振荡器等相结合的混合系统，正在为未来新颖应用和物理研究的探索铺平道路。
团队介绍
邵晓强，东北师范大学教授、博士生导师，《大学物理》青年编委，长期从事基于里德堡原子、离子阱、以及腔量子电动力学等物理系统的量子信息与量子模拟的理论研究。在国内最早开展以量子 Zeno动力学作为物理原理构建量子逻辑门与量子纠缠态，获得了2012年诺贝尔物理学奖得主S. Haroche等多个国际知名研究团队的正面引用。在离子阱系统中首次提出了无需协同冷却方案的耗散纠缠态制备，随后被瑞士苏黎世大学J. P. Home研究组实验实现。在中性原子系统中提出了基态阻塞的概念以及非传统的里德堡泵浦机制。
苏石磊，郑州大学副教授、博士生导师。河南省优秀青年科学基金获得者，首届CCF量子计算大会量子计算支撑技术论坛主席。第八届河南省光学学会理事。担任包括 PRL、PRX Quantum、PR Applied、PRA、APL、OL、OE等数十种期刊审稿人。主要研究领域为里德堡原子量子信息处理、基于优化控制理论的几何量子计算、耗散动力学等。经过十余年的历练与学术积累，主要研究成果简述如下：1. 提出并实验验证了非绝热非循环几何量子计算理论。2. 提出了耗散调控理论，并基于此理论验证了量子物理中耗散-时间不确定关系。该研究被PRL选为 Editor's Suggestions, 并被美国物理学会(APS)新闻网站 Focus 专栏报道；同时被欧洲物理学会(IOP)新闻网站 PhysicsWorld 报道，图注以：“新的不确定关系，时间-耗散率不确定关系已经被确立”进行报道。3. 提出了可以同时利用多个耗散制备量子纠缠的理论；给出了一步实现多体里德堡反阻塞的严格条件；提出基于一阶动力学的快速分步里德堡反阻塞机制并被实验验证；提出了并行路径几何量子计算概念。同时获以下荣誉：1) 河南省教育系统教学技能竞赛二等奖；2) 河南省优秀学士学位论文指导教师；3) 英国物理学会 J. Phys. A 引用前1%奖；4) 河南省优秀科技论文奖一等奖。
李霖，华中科技大学教授、博士生导师。从事基于里德堡原子的量子计算与量子测量研究，在该领域开展了一系列原创性实验工作，获Rackham Predoctoral Fellowship，国际量子光学会议PhotoniX Prize前沿基础奖等。代表性研究成果包括：首次实现里德堡单光子源及里德堡原子-光子量子纠缠；首次观测到了多体量子拉比振荡这一曾在半个多世纪以前被预言的重要量子效应；将冷原子量子存储时间提升至16秒；首次利用腔QED和单原子产生了光学薛定谔猫态；将里德堡单光子源质量提升到99.9%，实现了国际上最高保真度的光量子逻辑门；首次实现了确定性量子纠缠过滤器，可从经典噪声中提取保真度达99%的量子纠缠态。
吴金辉，东北师范大学，教授（博导），吉林省光学学会副理事长，吉林省物理学会常务理事，中国光学学会基础光学专业委员会委员。主要从事量子光学和量子信息领域的理论研究工作，近期研究兴趣集中在超冷里德堡原子与非厄米量子体系的量子相干调控方面。主持和参与国家重大科学研究计划以及国家自然科学基金重点项目、面上项目、国际合作与交流项目等20余项国家级和省部级课题。发表SCI论文210余篇。荣获长白青年科技奖特等奖1项、饶毓泰基础光学奖优秀奖1项、吉林省自然科学奖一等奖1项和吉林省青年科技奖1项。先后入选了教育部“新世纪优秀人才”支持计划和吉林省“长白山学者”特聘教授。
李伟斌，诺丁汉大学副教授，于2007年在中国科学院武汉物理与数学研究所获得原子与分子物理学博士学位。他的第一个博士后职位是在德国德累斯顿的马普复杂系统物理研究所。随后，他作为欧盟玛丽.居里学者来到诺丁汉大学，之后获得了诺丁汉高级研究员奖学金。他的研究集中于在原子、分子与光学物理领域的多个课题上开展了研究，包括光与物质的相互作用、里德伯原子与离子、超长范围里德伯分子，以及利用冷原子进行量子信息和模拟。目前，他的研究重点是强关联光与冷物质状态的创建和操控。
文章信息
Rydberg superatoms: An artificial quantum system for quantum information processing and quantum optics
Xiao-Qiang Shao, Shi-Lei Su, Lin Li, Rejish Nath, Jin-Hui Wu, and Weibin Li
Appl. Phys. Rev. 11, 031320 (2024)
https://doi.org/10.1063/5.0211071
扫描二维码 查看原文
期刊介绍
Applied Physics Reviews (APR)主要刊登关于应用物理学实验或理论研究中的重要和当前主题的文章，或物理学在科学和工程的其他分支的应用。APR发表原创论文和综述文章。
关于AIP出版社
美国物理联合会出版社（AIP 出版社）是美国物理联合会（AIP）旗下的非营利独资出版社。AIP 出版社的使命是在物理和相关科学领域开展学术出版活动，以支持AIP的慈善、科学和教育目标。我们也代表出版合作伙伴进行出版活动，以帮助其积极推进自身的使命。
访问主页：https://publishing.aip.org/
相关文章推荐
APR | 中科院微电子所高频高压中心GaN功率电子器件研发团队：GaN基MIS-HEMT器件阈值电压不稳定性机理与界面工程
APR | 中国科学院深海科学与工程研究所杨阳研究员团队：新兴的海洋物理MEMS传感器：原理、材料和应用
APR | 哈尔滨工业大学孙剑飞、张伦勇团队：斯格明子磁泡的拓扑磁电阻效应
