Rep. Prog. Phys. | 里德堡相互作用调控新突破

为了进一步推动可扩展的光量子信息处理技术的发展，不仅需要在单光子水平实现非线性效应，还需具备可调控性。量子信息处理中，这种可调控性至关重要，因为它能实现鲁棒且高保真度的光子量子逻辑操作，对构建大规模光量子信息处理线路具有深远意义。此外，精确操控多光子相互作用的哈密顿量，能够为实现多体光量子态的研究和量子相变中动态行为的探索提供可能性。

里德堡原子介导的单光子非线性效应，可通过控制原子间相互作用强度进行调节，通常通过改变主量子数n来调整范德华相互作用系数C₆。然而，单纯通过调节n来改变相互作用的方式不仅无法连续实现相互作用的调控，而且也难以实现对相互作用强度的动态控制。

在本研究中，研究团队提出了一种全新的里德堡原子相互作用调控方案。与传统方法不同，本方案不再依赖单一的里德堡态，而是采用可调拉比频率和失谐的微波场，耦合具有相反宇称的两个里德堡态，形成里德堡微波缀饰态。通过调节微波场的参数，能够精确控制缀饰态中的波函数结构，从而实现里德堡相互作用从初始的范德华形式（~C₆/R⁶）连续调节为共振偶极-偶极相互作用形式（~C₃/R³）。

图2：里德堡缀饰态方案及相互作用增强

图源：Reports on Progress in Physics

由于偶极-偶极相互作用随n⁴标度增长，而范德华相互作用随n¹¹标度增长，微波缀饰态方案在低里德堡态下具有显著优势。研究表明，在主量子数n为47，里德堡原子间距R~20μm的情况下，通过调节微波场的失谐量，可以在近三个数量级范围内实现相互作用强度的连续调控。这一新方案提供了更为灵活且高效的手段，能够实现里德堡原子相互作用的精细调控，并为单光子非线性效应的研究和应用开辟了新的方向。

基于里德堡微波缀饰波态的相互作用调控方案可应用在于加速基于里德堡退相干机制的量子操作。尽管此前，这种退相干机制已成功应用于多种光量子操作，但低n的里德堡态通常导致相互作用强度不足，从而需要较长的相干时间来完成由退相干机制驱动的量子操作。为了解决这一问题，研究团队提出的新方案通过增强相互作用强度数个数量级，有效克服了这一挑战。研究表明，该方案能够在低主量子数下显著加速单光子态的产生。

研究团队选择了主量子数n~47的低激发里德堡态，通过调控不同的激发参数和缀饰参数，成功实现了相互作用强度的提升，并显著加速了量子操作过程。同时，研究团队利用里德堡原子与光子的良好交互性，将该技术扩展到对光学非线性的调节上，实现了单光子级别的非线性效应，并可在较大动态范围内进行连续调节。例如，在制备高质量里德堡单光子的实验中，使用该技术实现了操作速度提升超过40倍。

图3：单光子级别非线性效应的连续二维调控

图源：Reports on Progress in Physics

此外，该方案的另一显著优势在于其可编程性。该方案允许在动力学演化过程中实时调控波函数，从而动态调节系统哈密顿量的时间演化。在单次实验序列内，研究人员能够通过动态开启或关闭微波场来调节单光子非线性的强度，这一能力是传统通过调整主量子数所无法实现的。因此，该方案不仅适用于动态调控波函数，还能对哈密顿量进行灵活操控，为实现复杂时变哈密顿量提供了新的途径。

研究团队提出并验证了一种全新的里德堡相互作用调控方案，通过对里德堡微波缀饰态波函数的精确调控，实现了里德堡相互作用的跨数量级连续调节，填补了里德堡量子光学领域中无法实现单光子级别非线性效应连续调控的空白。这一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，显著提升了相互作用的调控能力，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。考虑到里德堡量子计算中量子逻辑门的操作速度与里德堡相互作用强度成反比，这一进展在量子计算领域也具有重要的潜在应用价值。结合里德堡原子在原子-光子信息转换中的独特优势，研究结果有望在分布式量子计算等前沿领域找到实际应用。