超冷里德堡原子气体中高维非线性光脉冲的传播及其操控

激光冷却技术的发明与成功应用使得里德堡原子的研究进入了一个崭新的发展时代。超冷里德堡原子具有的若干优点（特别是原子之间的长程相互作用在十一个数量级范围内主动可调），使得其在精密光谱与精密测量、量子计算与量子信息处理等的研究提供了强有力的平台，也为量子非线性光学的研究开辟了新的方向。由于其丰富的物理内涵及潜在的应用前景，实现稳定的高维非线性光脉冲（也称为时空光子弹）一直是人们长期追求的目标。一般而言，这样的非线性脉冲只有在具有非局域非线性响应的光学材料中才能实现。迄今为止所使用的材料的非局域非线性光学响应速度都很慢，所以一直未能得到稳定传播的单个时空光子弹。

近年来，实验室黄国翔教授研究小组对超冷里德堡原子气体中非线性与量子光学效应开展了系列的理论研究。他们基于电磁诱导透明（EIT）方案计算了三阶和五阶非线性光学极化率，证明了里德堡原子系综中的非局域非线性光学效应的响应时间比传统体系快得多，而且非局域的非线性光学极化率与局域的非线性光学极化率具有相近的响应速度。研究所揭示的这些有趣特性为进一步开展基于里德堡原子的非局域量子非线性光学打下了基础。

在上述工作的基础上，在博士生白正阳等人的共同努力下，他们对三能级里德堡原子系综中的高维光脉冲的非线性传播进行了深入的研究。用超出平均场处理的理论方法，从Maxwell-Bloch方程出发，在EIT条件下导出了探测场包络所满足的（3+1）维包络方程。该方程包含了色散、衍射、耗散、局域和非局域非线性等物理效应。通过求解该方程得到了强非局域、弱非局域、局域几种情况下的各种(3+1)维非线性光脉冲解。研究结果表明，利用 EIT可大大抑制体系的光吸收，通过原子-原子相互作用可实现的光 Kerr效应的极大增强。不同于通常具有非局域非线性光学系统（如向列液晶，热非线性材料等），基于里德堡原子的快速克尔非线性响应可在较短的时空距离内形成稳定的传播单个(3+1)维时空光孤子与光涡旋（见图1）。这些高维光孤子与涡旋不仅具有很慢的传播速度，而且具有极低的产生功率。通过调节体系的参数，可对这些高维时空孤子进行主动控制，包括实现它们的高效的存储与读取等。所得研究结果有希望应用于弱光水平下的光与量子信息处理与传输。相关研究结果发表于 Optica 6, 309-317 (2019)。

图1. (a) 光与三能级原子气体相互作用模型。能级|3>为里德堡态，探测光场的拉比频率为Ωp，控制光场的拉比频率为Ωc。(b)系统的几何光路。(c) 高维时空光子弹的存储与读。