中国科学技术大学丁冬生--中文主页--科学研究

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。本课题组主要研究基于里德堡原子的原子雷达的实用化问题。

图选自参考文献[Nat Commun. 13, 1997 (2022)]

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：

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

2、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)]

物理系统通常由于遍历性（ergodicity）会弛豫到平衡态，进而可观测量随时间不再变化，可观察量在相空间中会快速寻找新的固定点。但也会有例外情况出现，例如，在可积和多体局域化系统中，破缺的遍历性可以抑制系统平衡和热化。研究遍历性破缺对金融网络中的市场崩塌和恢复、神经网络中的大脑癫痫、以及复杂系统临界跃迁的预警等行为具有一定启示和参考。里德堡原子具有长程相互作用，可作为理想的多体系统研究非遍历动力学行为。

图选自参考文献[Sci. Adv. 10, eadl5893 (2024)]

3、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)]

4、基于里德堡原子阵列的量子计算

由于里德堡原子为高激发电子态原子，具有很大的电偶极矩，里德堡原子的长程相互作用偶极力会迫使它周围的里德堡原子能级有较大的频率位移，直接导致周围的原子不能被激发为里德堡原子，这种现象称之为里德堡阻塞效应。在2000年，Jaksch等人提出利用里德堡阻塞效应来实现中性原子的量子逻辑门，随后被Lukin等人于2001年迅速延伸到介观的多原子系综比特中。近期得到了爆发式的发展，人们已经在里德堡原子系统里观察到了自旋液体、量子疤痕、非平衡相变等新奇物态，也展示了基于里德堡原子的48个逻辑比特。本课题组主要研究原子阵列系统的多体临界动力学。

上图为课题组囚禁的单原子阵列

5、基于里德堡原子的量子化学

里德堡分子可以分为巨型里德堡分子和里德堡-基态分子，巨型里德堡分子是由两个或多个里德堡原子间的电多极相互作用形成势阱束缚而成，里德堡-基态分子则包含一个里德堡原子和一个或多个基态原子，由里德堡电子与基态原子的低能散射束缚机制形成。如下图为蝴蝶形分子结构。里德堡分子除了具有里德堡原子的大尺寸、长寿命和大极化率外，还具有丰富的振动能级和奇特的绝热势能曲线，比里德堡原子更容易操控。本课题组主要研究基于里德堡原子的分子态形成的化学反应动力学。

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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