近日，激光光谱研究所贾锁堂教授、赵建明教授和焦月春教授研究团队在抑制里德堡集体激发态运动退相干的研究中取得重要进展，相关研究成果以“Suppression of motional dephasing using state mapping”为题发表在Physical Review Letters期刊上。焦月春教授、李昌成博士生和海南大学施小锋教授为论文共同一作，赵建明教授、施小锋教授和英国杜伦大学C. Stuart Adams教授为论文共同通讯作者，青年教师白景旭博士参与了该研究，贾锁堂教授为该工作提供了重要指导。

里德堡集体激发态也叫做里德堡W态或者里德堡暗态极子，通过全光学电磁诱导透明方法可以将里德堡原子间的强相互作用映射到单个光子上，在量子光学和量子信息处理中具有巨大的应用前景。基于里德堡集体激发态的研究已经在单光子源的制备、单光子开关和晶体管、光量子逻辑门、非接触量子光学和全光网络等方面取得了显著进展。然而，原子的热运动导致了里德堡集体激发态的快速退相干，对应的相干时间只有几微秒，极大的阻碍了里德堡介导在量子光学的进一步发展。常见的减少运动退相干的技术包括自旋回波、bang-bang协议和量子动态解耦协议等，然而，这些技术对于实空间中原子随机运动导致的退相干是无效的。

研究团队发展了一种全光操控量子态映射的新方案，有效的抑制了实空间中原子热运动导致的里德堡集体激发态的退相干，该方法理论上可以完全消除原子热运动导致的退相干，使里德堡原子的寿命成为唯一的退相干通道。实验上，我们设计了π-wait-π全光学操控协议，Raman耦合初始的里德堡态与另一个里德堡态，为原子系综中的每个里德堡原子施加一个先验未知的但正确的相位，所产生的相位与未知的热运动速度正好成正比，使得在恢复信号光子时，里德堡原子似乎没有发生热运动，从而抑制原子运动导致的退相干。尽管在实验中受到激光和环境噪音的影响，我们仍将里德堡集体激发态的相干时间提高了一个数量级以上。研究成果将打破里德堡介导在量子光学发展的瓶颈，并对里德堡量子多体物理和其他量子技术的研究开辟新的前景。

图1（a）里德堡集体激发态的自由退相和消除退相后相位的对比，（b）自由退相和抑制退相后读出信号的比较。

该工作得到了国家自然科学基金、科技创新2030重大项目、山西省优秀青年基金项目、光量子技术与器件全国重点实验室以及省部共建极端光学协同创新中心的支持。

论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.134.053604

责编 | 瑄   瑄

二审 | 范艳华

三审 | 张   捷