里德堡原子主题调研
本文“里德堡原子主题调研”为进行相关工作之前的调研总结工作，仅为自身学习便利所记，大多内容是对其他作者现有研究成果的调研与引用
量子信息简介
量子信息是当今时代最热门的研究方向之一- 量子比特是经典比特的量子相干叠加态，这使得基于量子比特的通信过程更安全、并能通过全新的编码和计算方式来并行处理数据完成算法
- 光量子间相互作用弱、便于操纵、编码自由度多、传输速度快、损耗低等优点使得光量子成为量子信息领域最常见的信息载体
- 对信息的处理过程就是对光子的操控过程，里德堡原子系统在光子操控上相比于基态原子有着得天独厚的优势
里德堡原子简介
核外电子被激发到远离核的高激发态（通常情况下要求主量子数n大于20）称为里德堡原激发态，对应被激发的原子称为里德堡原子。在这一接近于电离态的情形下，远离核的电子与原子核形成了极大的电偶极矩（相对低激发态大2-3个数量级），并表现出了许多奇异的特性
里德堡原子性质
以碱金属的里德堡激发态原子原子为研究对象，其具有如下性质：
- 里德堡原子轨道半径正比于主量子数的平方
- 极大的电偶极矩使得里德堡原子间相互作用强度要比基态中性原子间相互作用强度大三个数量级
- 利用这一独有特性可以灵活地调节相互作用强度，从而能够实现高保真度的各种量子门操作
- 里德堡原子的能级间隔反比于主量子数的立方
- 激发激光的线宽需要足够窄且频率足够稳定
- 高主量子数的激发态能级间隔能达到THz甚至GHz量级，这使得里德堡原子能够与微波场耦合（可使用里德堡原子探测微波信号、或利用微波操控里德堡原子）
- 里德堡原子的能级寿命很长，其主要由高激发态的自发辐射和黑体辐射两部分决定
- 高激发态电子波函数与基态波函数交叠很小，因此里德堡原子自发辐射概率很小，其自发辐射寿命正比于主量子数的立方
- 黑体辐射指高激发态能级在热光场下向相邻能级受激辐射过程，与原子温度、主量子数以及相邻能级有着密切关系。可以将里德堡原子制备到圆态来获得更长的辐射寿命（10ms量级）
- 长寿命优势使其能够在信息处理时提供足够操作时间，在量子信息中构建高保真的量子门或者量子开关
- 由于stark效应导致的能级劈裂，当置于外电场中时，里德堡原子静电极化率正比于主量子数的七次方 ，即更容易被外电场极化
- 在相干操控里德堡原子时需要做到对外电场的屏蔽
- 反过来也可以通过可调的外电场对里德堡原子进行按需操控
里德堡原子间的阻塞效应
极大的电偶极矩使得里德堡原子在相互作用时出现许多奇异的现象，其中被广泛利用的就是里德堡原子的阻塞效应
- 里德堡原子间相互作用
- 范德瓦尔斯相互作用(V«Δ)：原子间距较远或能级达不到共振条件时的情形。在铷原子中，两个里德堡原子间的范德瓦尔斯相互作用可以比基态的两个原子相互作用强度大20个数量级
- 共振偶极相互作用(V»Δ)：对应原子间距很近的情形
- 在共振偶极相互作用情形下，如果恰好满足Δ=0，此时又称Förster共振，是一种无辐射的耦合效应。2016年Pillet研究组观测到了偶极阻塞效应。此外Förster共振在生物学方面有着重要的应用
- 而当系统处于两种相互作用的临界状态(V=Δ)时，定义此时原子间距为范德瓦尔斯半径R，正比于n的7/3次方
- 里德堡原子多体问题
- 范德瓦尔斯相互作用能量正比于R的-6次方，相互作用以近邻为主，考虑两两成对原子间相互作用即可
- 共振偶极相互作用能量正比于R的-3次方，每个原子周围都有同等作用强度的原子与之作用，这种情况下不能拆分为两两相互作用，必须考虑多体作用的整个系统
- 阻塞效应
- 一个被共振激发到里德堡态的原子使得距离较近的另一个原子无法再被这束激光激发到里德堡态，于是以此里德堡原子为中心形成了一个无法被激发到里德堡态的区域求，这个现象就是里德堡原子的阻塞效应，这个区域球的半径就叫做阻塞半径
里德堡原子研究进展
因为上述众多特性与优势，里德堡原子在量子信息领域成为最热门的研究方向之一微波信号强度探测
- 极窄的能级间隔使得里德堡激发态系统能与微波发生耦合
- 里德堡激发态系统对微波的响应由固定的物理参数决定，因此可以理论推导出探测微波的频率和强度等信息
- 与经典微波探测手段不同，里德堡原子的微波探测器能够在室温下完成超宽带 和超高灵敏度 以及实时高动态 的微波探测
微波信号相位信息分辨
- 通过超外差 的方式能够实现里德堡原子超高灵敏且能够确定频率和相位的微波探测
- 所谓原子超外差测量模型是施加本振微波场作为频率和相位参考，与待测信号微波场发生干涉，通过混频信号来获取待测信号微波场的相位和频率信息
- 此外，通过调节引入的本振微波场的拉比频率大小，也可以提高透射峰交汇处的斜率，即探测灵敏度。里德堡原子的微波探测雷达正在逐步迈向应用化
微波调制里德堡原子构成受控Z门
- 微波能够耦合两个里德堡态，这成为了微波操控里德堡原子间相互作用的手段
- 微波能使控制比特处于里德堡激发态，并借由阻塞效应抑制目标比特的里德堡态激发，这边构成了受控Z门
- 受控Z门再与Hadamard门组合可以实现受控非门，可以完成量子信息领域中的各种信息处理
构建单光子开关以及制备单光子源
里德堡原子间相互作用表现为长程强相互作用，于是里德堡原子系统表现出很强的量子非线性
- 由于阻塞效应的存在，当输入信号光脉冲中光子数不断增加时，系统EIT透射谱被破坏
- 随着主量子数的增大，被激发的里德堡原子平均间距变短，相互作用变强，直至当整个系统中只能够激发一个里德堡态自旋波时，存储后恢复的信号光来自单一激发的里德堡自旋波，通过自关联测量发现恢复的光子信号表现出单光子特性
构建量子模拟器
里德堡原子间相互作用表现为长程相互作用，于是实验上能够利用原子间相互作用迅速完成光晶格中里德堡原子格点的操作过程
- 将里德堡二能级哈密顿量转换为伊辛自旋1/2模型对应哈密顿量，即里德堡原子与光晶格阵列结合可以完成伊辛自旋模型的量子模拟器
- 基于里德堡原子阵列的量子计算系统，原子在阵列中随机分布，通过初始化过程构建无缺陷的量子寄存器。系统施加不同的指令对应着阵列中不同位置的原子被激光共振激发到里德堡态，而里德堡原子间的强相互作用可以控制临近的原子的激发情况，可以实现计算操控相邻比特的量子算法
里德堡原子实现微波频谱感知
经典微波测量方法
经典微波测量方法通过微波诱导金属中自由电子产生有规律的感应电流来提取微波电场的信息，其具有以下瓶颈：
- 金属中的自由电子具有随机热运动特性，这将在感应电流中引入随机热噪声，从而限制了经典微波测量方法灵敏度的提高
里德堡原子射频传感器
- 系统优势：采用里德堡原子的空间电磁波传感器优点在于：
- 不受Chu极限限制、工作频带与传感器尺寸无关
- 其次是无需进行校准，测量结果可直接溯源至基本物理常量
- 另外，传感器中无固体金属结构，因此传感器对待测电场扰动小，可以实现全光无损探测
- 此外，该传感器具有较高的电场测量灵敏度，可以达到μV/m量级
- 设备构成：里德堡激发态的碱金属气态原子、探测光和耦合光发射器、微波注入装置，探测光光电探测器
- 基本原理：里德堡原子的极大电偶极矩使得其对微波电场具有极高的灵敏度，能够实现对微弱电场信号的探测
- 核心原理：EIT-AT效应（电磁诱导透明-欧特莱-汤斯效应），里德堡原子射频传感器就是利用EIT-AT效应，将电磁波信息调制到光信号上
- EIT效应：当原子因探测光从基态跃迁至低激发态，并进一步因耦合光由低激发态跃迁至高激发态后，在耦合光与探测光的持续照射下，探测光可以透过原子群并被光电探测器接收
- AT效应：指电磁场共振或近共振作用于原子或分子的跃迁时, 导致相应的吸收谱线产生分裂的现象。
- 对EIT实验得到的里德堡激发态原子群注入一定频率的微波，将导致扫描峰的分裂
- 频域上两峰间隔对应入射电磁场的频率
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