聚焦里德堡原子量子计算的核心科学问题
<p>我们利用具有巨大电偶极矩的里德堡原子发展新型微波传感技术。此类里德堡量子传感器对微波场具有优异灵敏度，有望突破经典微波探测器的根本极限，且探测频率范围可覆盖从直流到近太赫兹。</p>
微波技术是现代社会的基石之一。微波测量技术的突破对宇宙学、资源勘探、医学成像、无线通信等众多领域具有深远影响。我们正在利用具有巨大电偶极矩的里德堡原子发展新型微波传感技术。此类里德堡量子传感器对微波场具有优异的灵敏度，有望突破经典微波探测器的根本极限，即 Johnson–Nyquist 噪声极限。此外，与频率调谐范围受限的经典探测器不同，基于里德堡原子的传感器可利用丰富的里德堡能级，测量频率范围从直流到近太赫兹的电磁场。我们已实现约 20 nV/cm Hz^(-1/2) 的微波探测灵敏度，并演示了无破坏微波测量与信息传递。未来研究将聚焦于实现高速无线通信，以及实现超越经典器件的微波探测能力。
<p>我们搭建了高度可控的里德堡原子阵列平台，用于量子计算与量子模拟研究。二维原子阵列可编程为任意构型，具有良好的可扩展性，并借助强而长程的里德堡相互作用实现快速、高保真度的量子比特操作。</p>
量子计算机有望解决经典计算机难以处理的大量问题。然而，其物理实现长期受制于量子比特的可扩展性与操作保真度等突出挑战。我们已建成高度可控的里德堡原子阵列平台，用于量子计算与量子模拟研究。二维原子阵列可编程为任意构型并实现，具有良好的可扩展性。借助强而长程的里德堡相互作用，可在量子比特间实现快速高效的量子操作。我们已实现无缺陷原子阵列的制备与里德堡量子比特的高效操控。长期目标包括提升体系的可扩展性、相干时间与门保真度，以实现量子计算与量子模拟协议。
<p>在单量子水平上高效操控光一直是量子光学的长期目标。通过将光子与冷原子系综的高激发里德堡态相耦合，我们能够工程设计原子-光子乃至光子-光子间的相互作用，实现非经典光态的产生与高保真度纠缠。</p>
在单量子水平上高效操控光一直是量子光学长期追求的目标，其对量子通信、量子计算以及检验量子力学基本问题都至关重要。然而，以确定性方式对光子执行此类量子操作极为困难，因为光子之间通常不相互作用。
冷里德堡原子系综具有强原子间相互作用与优异的物质-光量子界面。通过将光子与高激发里德堡态相耦合，我们可以有效地工程设计原子-光子甚至光子-光子之间的相互作用。我们已建成里德堡量子光学实验平台，实现了非经典光态的高效产生与高保真度纠缠。长期目标包括确定性制备多光子纠缠态、实现高保真度光子量子逻辑门，以及构建基于里德堡体系的量子网络。