基于原子系统的新型技术是由物理、信息等多个学科交叉融合所形成的一门新兴的科学技术领域。原子作为微观状态最小的物质单元，研究它可以催生出巨大的应用。基于原子系综的科学与技术已经成为量子信息科学、现代信息工程、以及其他交叉学科的重要平台之一，旨在研究基于原子系综物态信息的产生、存储、传输、接收、及模拟等问题。丁冬生课题组长期研究方向如下：

1、基于里德堡原子的量子精密测量

     微波测量在通信、导航、雷达、以及天文探测领域发挥重要作用。里德堡原子大的电偶极矩对弱电场有很强的响应，是一个非常有前景的测量体系。当电场耦合里德堡原子时，里德堡原子的状态发生改变，通过检测里德堡原子的EIT光谱，使得里德堡原子因为外界电场造成的能级移动或者布局数变化映射到光谱上，通过对光谱的测量，来反推电场信息。由于光谱测量的准确性，可以实现对电场的高精密测量。

图选自参考文献[Nat Commun. 13, 1997 (2022)]

2、基于冷原子系综的量子存储

      远距离量子通信的实现和量子网络的构成必须借助于量子中继器，而量子存储单元是构成量子中继器的核心，实现光子携带信息在存储单元中的存储与释放是实现中继功能的关键。因而能否实现实用化的量子存储器是构建基于中继器的远距离量子通信系统和量子网络的关键,而且是量子信息领域中一个急待解决的问题。

图选自参考文献[Nature Photonics. 9, 332–338 (2015)]

3、基于里德堡原子的量子模拟

      自然界有很多现象本质上遵循多体物理的演化规律，比如：大树如何生长、晶体如何自发生成、传染病在人群中的传播等,这些由于多体相互作用产生的新物态服从一种自组织规律。它指混沌系统在随机识别时形成耗散结构的过程，广泛存在于自然界中，比如物理学中的相变、化学中分子自组装、生物学中蛋白质的自发折叠、计算机科学中的元胞自动机、以及社会学、经济学等领域诸如集群思维等。一个特别有趣且重要的现象是自组织临界，系统被吸引到一个临界点，行为会发生巨大的变化。里德堡原子间的长程相互作用使得人们可以在原子系统里研究自组织临界行为。

图选自参考文献[Physical Review X. 10, 021023 (2020)]

     里德堡原子间的长程作用常被用来研究强关联系统，该系统在临界点附近对外界扰动更加敏感，可以被应用于量子传感。虽然有大量理论报道利用强关联系统的临界状态去做量子增强传感，从理论被提出来十几年后，实验上却一直未能成功实现。主要原因是：多体系统相变过程难制备、临界点的外场调控技术欠缺等。团队解决了临界点和外场的耦合问题，实现了基于里德堡原子的临界增强传感，物理思想如下图：

图选自参考文献[Nature Physics 18, 1447-1452 (2022)]

4、基于图像的非线性频率转换和调控

      用于探测红外波段的红外敏感探测器价格昂贵，探测效率低。而红外探测又在生物探测，夜视，化学成像等领域都具有很大的应用。围绕解决红外图像探测器精度差、效率低的缺点，以及量子通信系统中存储波长的光子很难实现远距离传输等问题，利用原子的四波混频效应可以实现单模光场和具有特殊空间结构的图像的频率变换，即可实现红外波段的图像转换到可见波段。

图选自参考文献[Phys. Rev. A. 86, 033803 (2012)]

主要创新性工作如下：

量子存储方面的系统性工作

1.实现单光子轨道角动量态的量子存储. [Nat. Comm. 4. 2527(2013), 2014-2015年的高被引论文] 

https://www.nature.com/articles/ncomms3527.  

MIT Technology Review的评价“The world's first quantum memory that stores the shape and structure of single photons has been built in a Chinese lab” [翻译为：世界上第一个存储单光子形状的量子存储在中国实验室]. 

https://www.technologyreview.com/2013/05/15/178429/first-quantum-memory-that-records-the-shape-of-a-single-photon-unveiled-in-china/

2.实现存储轨道角动量纠缠的量子存储. [Phys. Rev Lett. 114, 050502 (2015), 2015-2017年的高被引论文.]. 

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.114.050502

3.实现存储单元之间的多自由度纠缠. [Nat. Comm. 7. 13514 (2016)]. 

https://www.nature.com/articles/ncomms13514

4.实现光子纠缠的拉曼存储. [Nat. Photon.9, 332–338 (2015).]

https://www.nature.com/articles/nphoton.2015.43

里德堡原子量子模拟和传感方面的工作

1.观察里德堡原子自组织临界行为. [Phys. Rev X.10, 021023(2020).]. 

https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.10.021023.

APS (physics.aps.org) gives a ViewPoint: "Rydberg Atoms on Fire"

https://physics.aps.org/articles/pdf/10.1103/Physics.13.70

2.基于里德堡原子临界增强传感. [Nature Physics. (2022)]; 

https://www.nature.com/articles/s41567-022-01777-8

3.基于AI增强的里德堡原子多频微波传感. [Nat Comm. 13, 1997 (2022)]; 

https://www.nature.com/articles/s41467-022-29686-7

4实现第一个里德堡原子频率梳光谱仪. [Phys. Rev. Applied. 18, 014033 (2022)]; 

https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.18.014033

量子领域的两项技术：单光子隔离器和图像的上转换。

1.室温下的原子单光子隔离器. [Science Advance. 7 : eabe8924 (2021)]; 

https://www.science.org/doi/pdf/10.1126/sciadv.abe8924

2.基于铷原子的图像上转换探测. [Phys. Rev. A. 86, 033803 (2012)]. 

https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.86.033803. 

MIT Technology Review 评论"Rubidium Detector Converts Infrared Images Directly to Visible Light" [翻译为：转换红外到可见图像的铷探测器] 

https://www.technologyreview.com/2012/03/30/186980/rubidium-detector-converts-infrared-images-directly-to-visible-light/