微波调制的里德堡原子集体量子跳跃

对于一个三能级原子体系,原子的两个基态能级通过微波耦合起来,其中一个基态能级可被激发到里德堡态,从而可观察量子跳跃现象.本文采用量子轨线方法研究了微波调制的里德堡原子集体量子跳跃.研究结果表明,微波耦合基态能级可以提高光子关联,增强光子聚束效应,即使较少的原子中也可以观察到系统在高里德堡占据数态和低里德堡占据数态之间的切换.这一结果为将来进一步研究里德堡自旋晶格中的多体动力学提供了新思路.     

Sr原子的5sns及5snd里德堡系列能谱

用两束脉冲激光二步激发的方法将Sr原子从基态激发到5sns及5snd系列里德堡态,再用第三束脉冲激光使里德堡原子电离.测量了70余个里德堡态的能级和量子亏损.     

49S里德堡态的射频双光子光谱

在室温铯原子蒸气池中, 由铯原子基态、激发态和里德堡态构建了阶梯型三能级系统, 研究了里德堡原子阶梯型三能级系统的电磁感应透明(EIT). 在实现电磁感应透明的基础上, 利用16.9 GHz的射频电场耦合相邻的原子里德堡态, 实现49S_1/2→47D_3/2的双光子跃迁, 测量了里德堡原子的射频双光子光谱, 观察到了电磁感应透明光谱的分裂, 进一步研究了电场强度对射频双光子光谱的影响. 利用里德堡原子的EIT效应可实现对射频电场幅值和极化的精密测量, 具有潜在的应用前景.     

基于原子的微波场测量

本文分别综述了基于热原子、冷原子体系的微波场测量的研究进展,以及基于纠缠原子的高灵敏微波电场测量的最新结果。文中详细介绍了基于原子的微波场测量与实验进展,内容主要包括:热原子样品中,利用里德堡原子的电磁感应透明效应和Autler-Townes效应,实现微波电场的场强测量和微波电场空间分布特征的亚波长空间高分辨率成像。冷原子样品中,介绍了相邻里德堡态与微波的相干耦合强度受微波功率的影响,以及通过铷原子基态超精细能级与微波相干耦合振荡,实现基于原子的新型微波功率标准的研究。此外,利用冷原子探针实现微米级空间分辨率的二维微波场场强分布测量。最后我们对采用原子的量子纠缠态提高微波场强探测灵敏度的技术方案进行了讨论,量子纠缠的引入将有望使微波探测的灵敏度突破标准量子极限,获得优于传统雷达探测灵敏度的测量结果。     

非旋波近似下Λ型三能级原子与相干态光场的量子纠缠

在非旋波近似下,利用相干态正交化展开方法,对相干态光场与Λ型三能级原子相互作用的量子场熵进行了精确求解.利用量子熵理论讨论了耦合强度、平均光子数以及初始时刻原子处于不同的能级对量子纠缠的影响.数值计算的结果表明:当初始时刻原子处于激发态时,量子纠缠在较短的时间内就能演化到最大值,随着平均光子数的增大,纠缠演化的周期性逐渐明显;原子初始时刻处于三个能级的叠加态会使初始阶段量子纠缠显著降低;与旋波近似下的结果不同的是,随着耦合强度以及平均光子数的增加,非旋波项的贡献显著增强,使得量子纠缠演化曲线出现小锯齿状的振荡.     

用B样条函数方法研究碱金属原子里德堡态在静电场中的性质

由原子的模型势出发,利用B样条函数方法研究了钾和铯原子的里德堡态在静电场中Stark态能级反交叉位置以及微波场中钾原子的多光子共振吸收谱.研究表明我们的结果与实验和其他理论结果符合得很好.     

里德堡分子物理的研究进展

里德堡原子是主量子数（n）很大的高激发态原子，由一个或者多个里德堡原子形成的里德堡分子具有大的尺寸，丰富的振转能级，永久的电偶极矩以及对外场非常敏感等特性，不仅包含了里德堡原子的奇异特性，而且在量子信息存储和量子模拟以及在医学中具有广泛的应用价值，引起了国内外学者的研究兴趣。根据束缚机制的不同，里德堡原子形成不同种类的里德堡分子，目前包括里德堡电子与基态原子低能电子散射形成的基态–里德堡分子、里德堡原子间电多极相互作用形成的里德堡–里德堡分子和离子与里德堡原子间电多极相互作用形成的离子–里德堡分子。本文综述了近年来双原子里德堡分子的研究进展，包含三类里德堡分子的形成机制、实验观测及其光谱特性等。     

非旋波近似下Λ型三能级原子与相干态光场的量子纠缠

在非旋波近似下,利用相干态正交化展开方法,对相干态光场与Λ型三能级原子相互作用的量子场熵进行了精确求解.利用量子熵理论讨论了耦合强度、平均光子数以及初始时刻原子处于不同的能级对量子纠缠的影响.数值计算的结果表明：当初始时刻原子处于激发态时,量子纠缠在较短的时间内就能演化到最大值,随着平均光子数的增大,纠缠演化的周期性逐渐明显|原子初始时刻处于三个能级的叠加态会使初始阶段量子纠缠显著降低|与旋波近似下的结果不同的是,随着耦合强度以及平均光子数的增加,非旋波项的贡献显著增强,使得量子纠缠演化曲线出现小锯齿状的振荡.     

Schrdinger-cat态光场与耦合双原子相互作用系统的量子场熵演化

利用全量子理论,研究了Schrdinger-cat态光场与耦合双能级原子相互作用系统在非共振情况下的量子场熵演化特性.结果表明,场—原子系统的量子场熵演化特性不仅与初始平均光子数n0、场与原子的耦合强度g、原子与原子之间的耦合强度ga以及失谐量Δ有着密切的关系,而且与原子的初始状态有关.     

基于里德堡原子的电场测量

里德堡原子具有大的极化率、低的场电离阈值和大的电偶极矩,对外部电磁场十分敏感,可以用来测量电场强度特别是微波电场的强度. 利用里德堡原子的量子干涉效应(电磁诱导透明和Autler-Townes效应)测量微波电场强度的灵敏度远高于传统采用偶极天线测量微波电场的灵敏度. 此外,里德堡原子电场计 可以溯源到标准物理量,不需要额外校准; 采用玻璃探头,对待测电场干扰少; 灵敏度也不依赖于探头的物理尺寸. 同时,该电场计还可以实现对微波电场的偏振方向的测量, 实现亚波长和近场区域电场成像与测量. 通过选择不同的里德堡能级,可以实现1-500 GHz超宽频段范围内微波电场强度的测量. 主要综述基于里德堡原子的电场精密测量研究, 详细介绍了里德堡原子电场计的原理与实验进展, 并简单讨论了其发展方向.     

Asymptotic Entanglement Sudden Death in Two Atoms with Dipole–Dipole and Ising Interactions Coupled to a Radiation Field at Non-Zero Detuning

We investigate the time evolution and asymptotic behavior of a system of two two-level atoms (qubits) interacting off-resonance with a single mode radiation field. The two atoms are coupled to each other through dipole–dipole as well as Ising interactions. An exact analytic solution for the system dynamics that spans the entire phase space is provided. We focus on initial states that cause the system to evolve to entanglement sudden death (ESD) between the two atoms. We find that combining the Ising and dipole–dipole interactions is very powerful in controlling the entanglement dynamics and ESD compared with either one of them separately. Their effects on eliminating ESD may add up constructively or destructively depending on the type of Ising interaction (Ferromagnetic or anti-Ferromagnetic), the detuning parameter value, and the initial state of the system. The asymptotic behavior of the ESD is found to depend substantially on the initial state of the system, where ESD can be entirely eliminated by tuning the system parameters except in the case of an initial correlated Bell state. Interestingly, the entanglement, atomic population and quantum correlation between the two atoms and the field synchronize and reach asymptotically quasi-steady dynamic states. Each one of them ends up as a continuous irregular oscillation, where the collapse periods vanish, with a limited amplitude and an approximately constant mean value that depend on the initial state and the system parameters choice. This indicates an asymptotic continuous exchange of energy (and strong quantum correlation) between the atoms and the field takes place, accompanied by diminished ESD for these chosen setups of the system. This system can be realized in spin states of quantum dots or Rydberg atoms in optical cavities, and superconducting or hybrid qubits in linear resonators.     

铯原子nP_(3/2)(n=70—94)里德伯态的紫外单光子激发及量子亏损测量

基于成熟的光纤激光器、光纤放大器及高效激光频率转换技术,我们在实验中研制了一套瓦级输出的窄线宽连续波单频可调谐318.6 nm紫外激光系统,并在室温铯原子气室中实现了6S_(1/2)—nP_(3/2)(n=70—94)单光子跃迁里德伯激发.借助由铯原子6S_(1/2)(F=4)基态、6P_(3/2)(F′=5)激发态和nP_(3/2)(n=70—94)里德伯态构成的V型三能级系统,通过频率锁定于铯原子6S_(1/2)(F=4)—6P_(3/2)(F′=5)超精细跃迁的852.3 nm探测光束的吸收减弱信号获得了里德伯态的信息,并利用高精度波长计测量了铯原子nP_(3/2)(n=70—94)里德伯态的量子亏损值.经过与理论计算值的变化趋势进行对比,我们认为由于原子气室的里德伯屏蔽效应并不能完全屏蔽外部直流电场,铯原子气室内存在残余的直流电场,影响了对里德伯态的量子亏损值的实验测量.利用残余直流电场的Stark效应理论模型及其与有效主量子数n*的依赖关系,对铯原子里德伯态的量子亏损实验测量值进行了修正.修正后的铯原子nP_(3/2)(n=70—94)态量子亏损测量值为3.5591±0.0007,与理论计算值相吻合.     

Rydberg quantum computation with nuclear spins in two-electron neutral atoms

Alkaline-earth-like (AEL) atoms with two valence electrons and a nonzero nuclear spin can be excited to Rydberg state for quantum computing. Typical AEL ground states possess no hyperfine splitting, but unfortunately a GHz-scale splitting seems necessary for Rydberg excitation. Though strong magnetic fields can induce a GHz-scale splitting, weak fields are desirable to avoid noise in experiments. Here, we provide two solutions to this outstanding challenge with realistic data of well-studied AEL isotopes. In the first theory, the two nuclear spin qubit states |0〉 and |1〉 are excited to Rydberg states |r〉 with detuning Δ and 0, respectively, where a MHz-scale detuning Δ arises from a weak magnetic field on the order of 1 G. With a proper ratio between Δ and Ω, the qubit state |1〉 can be fully excited to the Rydberg state while |0〉 remains there. In the second theory, we show that by choosing appropriate intermediate states a two-photon Rydberg excitation can proceed with only one nuclear spin qubit state. The second theory is applicable whatever the magnitude of the magnetic field is. These theories bring a versatile means for quantum computation by combining the broad applicability of Rydberg blockade and the incomparable advantages of nuclear-spin quantum memory in two-electron neutral atoms.     

Two-dimensional Rydberg gases and the quantum hard-squares model

We study a two-dimensional lattice gas of atoms that are photoexcited to Rydberg states in which they interact via the van?der?Waals interaction. We explore the regime of dominant nearest-neighbor interaction where this system is intimately connected with a quantum version of Baxter's hard-squares model. We show that the strongly correlated ground state of the Rydberg gas can be analytically described by a projected entangled pair state that constitutes the ground state of the quantum hard-squares model. This correspondence allows us to identify a phase boundary where the Rydberg gas undergoes a transition from a disordered (liquid) phase to an ordered (solid) phase.     

Quantum gates and multiparticle entanglement by Rydberg excitation blockade and adiabatic passage

We propose to apply stimulated adiabatic passage to transfer atoms from their ground state into Rydberg excited states. Atoms a few micrometers apart experience a dipole-dipole interaction among Rydberg states that is strong enough to shift the atomic resonance and inhibit excitation of more than a single atom. We show that the adiabatic passage in the presence of this interaction between two atoms leads to robust creation of maximally entangled states and to two-bit quantum gates. For many atoms, the excitation blockade leads to an effective implementation of collective-spin and Jaynes-Cummings-like Hamiltonians, and we show that the adiabatic passage can be used to generate collective J_{x}=0 eigenstates and Greenberger-Horne-Zeilinger states of tens of atoms.     

耦合系数对Tavis-Cummings模型中三体纠缠态纠缠量的影响

研究了两个全同二能级原子与单模场相互作用的Tavis-Cummings模型中的量子纠缠.在两原子初始时处于基态,光场处于单光子状态下,得出体系状态演化为近似W纠缠态.结果表明:两原子耦合量越大,三体纠缠态中两两纠缠量和三体纠缠量越小,其中两原子间纠缠量和三体纠缠量减小的程度更大,并且三体纠缠态中两两纠缠量和三体纠缠量的振荡周期也相应减小.     

一价镧离子高n里德伯态

基于五步激光共振激发,经由中间态(Xe) 5d6d~3F_2的一价镧离子光谱,分析了该实验谱,确定了一价镧离子一强一弱两个自电离里德伯系列.同时利用多通道量子亏损理论(MQDT)框架下的相对论多通道理论(RMCT)计算,标识了这两个自电离里德伯系列,强的自电离里德伯系列标识为5dnp(5/2,1/2)_3和/或5dnp(5/2,1/2)_2,弱系列标识为为5dnf(5/2,5/2)_3和/或5dnf(5/2,5/2)_2.根据实验谱峰数据,发现有效量子数很高时,里德伯和自电离里德伯能级量子数亏损随激发能量不平滑变化,并分析了可能的原因.     

利用多光子相互作用实现量子信息传递

利用全量子理论,研究了多原子-腔场系统中多光子相互作用的过程,给出了不同情况下系统的一般演化式,发现利用此过程可实现量子纠缠信息的传递:只要控制腔场与原子相互作用的时间即原子以特定速度通过腔场时,处于基态的原子与存储纠缠信息的腔场相互作用的结果使原子获得量子纠缠信息;相反,纠缠原子中的量子纠缠信息也可传递给处于真空态的腔场;基态原子作为"飞行的量子比特"还可将量子纠缠信息从一个腔场传递到另一个腔场。该结论适应于讨论任意多个原子-腔场系统中任意多个光子相互作用的普遍情形。     

Quantum computing with collective ensembles of multilevel systems

We propose a new physical approach for encoding and processing of quantum information in ensembles of multilevel quantum systems, where the different bits are not carried by individual particles but associated with the collective population of different internal levels. One- and two-bit gates are implemented by collective internal state transitions taking place in the presence of an excitation blockade mechanism, which restricts the population of each internal state to the values zero and unity. Quantum computers with 10-20 bits can be built via this scheme in single trapped clouds of ground state atoms subject to the Rydberg excitation blockade mechanism, and the linear dependence between register size and the number of internal quantum states in atoms offers realistic means to reach larger registers.     

Tavis-Cummings模型中的几何量子失协特性

采用几何量子失协的计算方法,通过改变两原子初始状态、腔内光子数和偶极-偶极相互作用强度,研究了Tavis-Cummings模型中的几何量子失协特性.结果表明:几何量子失协都是随时间周期性振荡的,选取适当的初态可以使两原子一直保持失协状态,增加腔内光子数和偶极相互作用对几何量子失协有积极的影响.