背景介绍

现实世界的很多物理问题都是多体问题，粒子间的相互作用使得多体系统具有很多复杂的性质。而随着量子领域研究的深入，尤其是量子计算和量子通信逐渐走向应用化，很多基础的量子技术亟待发展，例如量子存储、量子中继和特定量子纠缠态的制备等，而这些基础技术都需要在大规模的多体系统中实现。此外，很多科学问题的探究，如量子模拟，也需要在多体系统里实现。因而近来量子多体系统成为广泛研究的对象，多体相互作用的研究成为打开量子应用大门的钥匙之一。

目前，量子信息科学研究较多的多体量子系统有离子系统、中性原子系统、线性光学系统、量子点系统等，不同的系统有各自的优势与不足。其中，里德堡(Rydberg)多体系统最近几十年才为人们所重视并深入研究。里德堡原子作为激发的中性原子，具有很大的电偶极矩，这使得里德堡原子之间的相互作用范围很大，可以在原子密度比较稀薄的气体中实现多体相互作用；同时，在主量子数很高的激发态，里德堡原子寿命较长，可以给研究提供便利；而且基态原子相互作用弱，操纵性好，进一步的较大规模的多体系统构建也相对比较容易实现，这些优点使得里德堡原子多体系统成为多体相互作用研究的重要平台，对其的研究是极具潜力的探究量子多体动力学的方向。

文章导读

本文总结了近来关于里德堡多体系统性质的研究工作和基于里德堡多体系统实现的量子技术和量子多体领域研究上的应用。里德堡多体系统最重要的性质是激发阻塞效应，即系统中一个里德堡激发会抑制周围一定范围的原子的同时激发。而当系统处于激发阻塞状态时，整个系统呈现一个集体的拉比频率，这个频率呈现正比于集体原子数的平方根的规律。此外，由于里德堡原子间的强相互作用，系统中里德堡原子的分布也有特定的规律。

利用里德堡原子的多体相互作用，可以基于里德堡多体系统实现一些基础的量子技术，如单原子成像、量子光开关以及单光子晶体管等，推动着量子计算、量子通信等领域的发展。此外，基于里德堡多体系统，可以实现量子模拟，进而实现对科学问题的探究，如实现伊辛模型探究量子磁性和观测自组织行为研究非平衡动力学等，进而推动多体动力学的解析与发展。

本综述梳理了关于里德堡原子多体相互作用的研究，总结了当下研究的一些难题，希望为进一步的研究方向提供参考。同时也希望借此推动对多体相互作用的研究，进而推动量子技术应用和研究的发展。

图1   基态与激发态结合能级示意图　(a) 写入过程; (b) 基态存储; (c) 读出过程

图2   (a) Rydberg原子密度相图; (b) 没有控制光时电磁感应透明相图

丁冬生，男，1987年2月出生于安徽。2010年本科毕业于安徽师范大学；2015年博士毕业于中国科学技术大学并破格留校任副研究员；2018年任中国科学技术大学教授，博导；国家基金委优秀青年科学基金获得者；科技部重点研发计划青年项目负责人。目前主要从事基于冷原子系统的量子存储、里德堡原子的量子模拟以及涡旋光场的非线性调控等实验研究。在国际顶尖期刊Nature Photonics, Nature Communication, Physical Review X, Physical Review Letters, Light Science and Applications, Optica, Science Bulletin, Physical Review A, Optics Express, Optics Letters, Applied Physics Letters上发表文章70余篇，被 Science、Nature子刊、Physical Review Letters 等广泛的引用。其中，多项创新性成果被MIT的TechnologyReview, Physics.org 等知名网站多次报道。

《物理学报》2020年电子期刊，点击下图即可阅读。