构建单原子与单光子之间的强相互作用是量子光学的重点课题之一，它对基于原子和光子的量子信息处理有着重要意义。为了实现这一目标，传统的办法是通过谐振腔来增强原子-光子的耦合系数。近年来，人们发现通过将光子与原子的高激发态（里德堡态）建立耦合，在自由空间内就可以实现原子和光子之间的强相互作用。

       近日，物理系尤力、刘永椿团队提出了一种构造原子-光子相互作用的新颖方案，利用里德堡缀饰和电磁感应透明来实现原子和光子之间的自旋交换碰撞。这种独特的相互作用形式为光子-原子纠缠的建立、量子态远程转移、以及单光子减法等量子操控应用提供了新的手段。

图1. (a) 原子系综诱导的单原子-单光子自旋交换示意。(b) 控制原子和系综原子的能级结构以及相互作用示意。

       在他们的方案中，控制单原子和入射光子之间的自旋交换碰撞是通过原子系综作为媒介来实现的 [图 1 (a)]。首先，利用里德堡缀饰可以诱导控制原子与系综原子集体激发之间的自旋交换 [图 1 (b)]。进一步，通过在原子系综中构造不同自旋（偏振）模式光子的电磁感应透明过程，就可以将控制原子与系综原子之间的相互作用映射到控制原子和入射光子之间。

图2. (a) 单原子-多光子自旋交换碰撞的单光子减法模型。(b) 单光子减法器输出单光子的纯度、效率以及约化密度矩阵。

       在建立了原子-光子自旋交换相互作用的基础上，他们仔细讨论了单光子和多光子入射情况下的散射动力学。对于单光子散射，他们发现通过调节相互作用强度，可以构造耗散型散射过程并稳定地建立光子和原子之间的纠缠。在多光子入射时，由于体系的总自旋极化数守恒，散射问题可以映射为一个一般的单光子减法模型，即输入的n个全同光子中的某一个光子可以与原子交换自旋并产生n-1个光子的输出态 [图2 (a)]。通过对该模型的解析求解，他们发现量子纠缠的存在使得单光子减法过程的单光子提取效率和态纯度之间存在着一种普适的权衡制约关系 [图2 (b)]，它一定程度上限制了单光子减法器的性能。尽管如此，他们证明在大光子数极限下，可以通过相位匹配和散射系数优化来近似实现完美的单光子减法操作。

       该研究成果以“Atom-Photon Spin-Exchange Collisions Mediated by Rydberg Dressing”为题于9月28日发表在《物理评论快报》上 [Phys. Rev. Lett. 125, 143601 (2020)]。清华大学物理系博士生杨帆为论文第一作者，清华大学物理系刘永椿副教授、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、清华大学低维量子物理国家重点实验室、量子信息前沿科学中心和北京量子信息科学研究院的资助。

       文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.143601