物理系研究组在里德堡原子多体系统中提出新的量子模拟方案

 

        里德堡原子是一种处于高激发态的原子,在该状态下,原子内部的某些电子被激发到主量子数较高的轨道上,从而使其具有很多特殊的物理性质。其中,里德堡原子较长的寿命和长程的偶极-偶极相互作用使其非常有望用于量子计算和量子模拟中。近年来,随着里德堡原子阵列实验系统的不断发展和完善,基于中性里德堡原子的量子模拟成为量子信息领域的前沿问题。

        最近,物理系博士生杨帆、助理教授杨硕和尤力教授提出一种简单而新颖的里德堡原子量子模拟方案,通过激光缀饰基态里德堡原子,在不需要引入共振偶极-偶极相互作用的情况下,就可以获得基态原子和里德堡原子之间的等效自旋交换,进而对里德堡原子多体系统中的自旋输运过程进行量子调控。


 图1. (a) 激光缀饰产生等效自旋交换的示意。(b) 等效相互作用的势能曲线。


        里德堡原子体系中的自旋交换过程通常需要借助共振偶极-偶极相互作用或者非对角范德瓦尔斯相互作用,因此需要引入多个里德堡能级,而且需要电场调控原子能级在Foster共振点附近。而在他们的方案中,通过利用外场激光和对角范德瓦尔斯相互作用来巧妙地构造非对称微扰路径,就可以实现一种等效的自旋交换相互作用 [图1 (a)]。这种自旋交换相互作用具有长程特性和高度的可调性 [图1 (b)],可以用于模拟常规自旋体系中难以实现的自旋输运问题。

 

图2. (a) 量子模拟Thouless pumping过程的系统示意及其能带结构。(b) 双激子系统中低阶和高阶束缚态输运过程的示意及其密度-密度关联函数的动力学演化。


        该研究讨论了两个具体的量子模拟方案。在第一个例子中,借助这种人造自旋交换相互作用的动力学可调性,他们构造出推广的Rice-Mele哈密顿量,并发现在拓扑非平庸的Thouless pumping下,里德堡激子的输运过程的确会受到能带拓扑性质的保护,其质心位移呈现量子化现象,与具体的pumping细节无关,并且不受长程相互作用微扰影响 [图2 (a)]。在第二个方案中,他们发现体系的长程相互作用可以产生多种激子束缚态 [图2 (b)]。对于低阶的激子束缚态,其输运过程依赖于次近邻原子间的自旋交换,而对于高阶的束缚态,其输运速率则由一个二阶微扰过程决定。通过在系统中引入适当的退相干,该体系还可以用来研究自旋输运过程的量子-经典过渡。
        该研究成果以“Quantum Transport of Rydberg Excitons with Synthetic Spin-Exchange Interactions”为题于8月9日发表在《物理评论快报》上 [Phys. Rev. Lett. 123, 063001]。清华大学物理系博士生杨帆为论文第一作者,清华大学物理系杨硕助理教授、尤力教授为共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、科技部、国家青年千人计划、清华大学自主科研计划和北京量子院的资助。

       文章链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.063001