近期，华中科技大学国家精密重力测量科学中心及物理学院李霖教授课题组在里德堡原子相互作用调控领域取得重要进展。课题组发展了基于里德堡缀饰态技术的波函数精密操控方法，实现了里德堡原子之间相互作用的跨数量级、连续调控。基于这一机制，课题组在低激发里德堡态中实现了高效量子操作，展示了两个数量级的量子操作加速，及单光子级别非线性的连续调控。这一结果有望应用于里德堡量子光学及量子计算等领域，实现快速、高连接性的量子操作及高深度量子线路。该成果以"Continuously tunable single-photon level nonlinearity with Rydberg state wave-function engineering"为题发表于《Reports on Progress in Physics》杂志。
基于里德堡缀饰态的相互作用调控示意图
近年来，里德堡原子系统因其优异的量子属性得到广泛关注，其中高激发态(例如主量子数n~100)的里德堡原子之间具有强大的相互作用，因而是进行量子信息处理的绝佳系统之一。通常来说，里德堡原子之间的范德瓦尔斯相互作用随着主量子数n的十一次方提高，因此，选用高激发的里德堡态可以获得更强的相互作用，有益于提升量子操作速度。
然而，高激发里德堡态虽然具有较强的相互作用，但也面临着一个重要挑战。里德堡态对外界电场的敏感度随主量子数的七次方提升，因此高激发里德堡态易受外界电场扰动导致退相干。主量子数较低的里德堡态对于外界电场更加鲁棒，易于实现更好的相干性，但其相互作用较弱，难以用于量子信息处理。
针对这一矛盾，李霖课题组与北京自动化控制设备研究所的常越研究员及中科院理论物理研究所的石弢研究员合作，提出了新的思路：通过耦合不同宇称的里德堡态，在波函数层面进行量子调控，可以实现相互作用强度的跨数量级增强，同时也极大地提升了相互作用程。这一想法在低激发里德堡态下更加显著，有望同时实现较强的相互作用和较好的量子相干性。
里德堡缀饰态方案及相互作用增强
课题组选取主量子数n~47的低里德堡态，通过不同的激发参数、缀饰参数来实现相互作用的提升，并实现了量子操作的数量级加速。研究团队利用里德堡原子与光子良好的交互属性，将这一能力拓展到对光学非线性的调节上，在实现单光子级别的非线性的同时，可以实现大动态范围的连续改变。例如，在制备高质量里德堡单光子的实验中，该技术实现了超过40倍的操作速度提升。该技术还具有可编程性，可以在动力学演化过程中对波函数进行操控，从而对哈密顿量进行动态调控，可用于实现复杂的时变哈密顿量。
这项研究不仅在低激发里德堡态的相互作用调控方面提出了新的技术路径，实现了跨数量级的连续调控能力，还为发展快速、高保真度、高深度的量子线路提供了新的可能性。由于里德堡量子计算中的量子逻辑门操作速度也反比于里德堡相互作用强度，这一进展在量子计算中也有潜在应用。结合里德堡原子在原子-光子信息转换方面的优势，这一结果有望用于分布式量子计算等前沿领域。
该研究的共同第一作者为博士生徐彪、叶根生和北京自动化控制设备研究所的常越研究员。李霖教授与常越研究员为共同通讯作者。主要合作者还包括中科院理论物理研究所的石弢研究员。华中科技大学为第一完成单位。该工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金委和华中科技大学精密重力测量国家重大科技基础设施的支持。李霖教授从2010年开始从事里德堡原子量子信息相关研究，课题组近年来在基于里德堡原子的高质量单光子源及光量子逻辑门(Nature Communications, 13, 4454 (2022))，高保真度量子纠缠操作(Nature Photonics, 17, 538 (2023))，原子阵列量子信息(arXiv:2410.15455 (2024))等方面取得了重要实验进展。
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