中性原子阵列的协同效应

自然界中的协同效应产生了一些最引人入胜的现象，无论是在经典领域还是量子领域，协同效应不能仅通过考虑单独的个体来理解，因为这些现象源于它们之间的相互作用。在基础科学层面，对量子领域许多问题的理解和掌握已经构成了巨大的挑战，但人们对于构建、控制和利用复杂的协同平台以发展新兴量子技术的兴趣却在不断增加。

光-原子体系为观察和利用量子协同效应提供了一个理想的实验平台。量子光，无论是多模式的（自然出现在量子电磁真空中）还是单模式的（被限制在光学谐振器的小体积内），都能在原子之间引发强烈的相互作用。协同效应发生在例如自由空间中的高密度条件下，表现为由于光子在物质成分之间连续散射和再散射导致的材料响应的显著改变。由N个原子共同耦合到电磁环境中带来的两个主要方面是偶极-偶极相互作用，一是源于虚光子的交换和集体辐射，二是源于激发态能量损失到无限多的电磁真空模式中。虽然前者被包括为一个相干效应，后者是一个非相干效应，可观察为集体自发辐射率相比单个独立原子的增加（超辐射）或减少（亚辐射）。

自由空间近场偶极-偶极相互作用被用于结构化的亚波长原子阵列中，它们允许表面激发的跃迁。这种阵列是实现强光-物质相互作用和高保真度光子存储能力的理想的平台。此外，这些平台可以允许光子或激发的传播受到保护，以防止由缺陷引起的无序和散射，在一种被称为拓扑量子光学的方法中。与线性拓扑光子系统相比的一个优势是量子发射体的内在非线性，这可能导致丰富的多体物理动力学。已经提出了通过量子自旋透镜单独寻址单个量子比特发射体的方法，并且基于理论结果，提出了一种使用由许多原子阵列组成的复合量子系统的量子网络方法，显示了为两个远距离阵列产生贝尔纠缠叠加量子态。

自由空间亚辐射特性是量子信息处理到计量学等应用的重要资源。这种协同耗散效应已经被广泛研究，特别是在产生具有极长寿命的稳健多粒子量子态的方向上。亚辐射已经在实验中被用来展示近于完美的超薄反射器，具有在纳米光力学、反共振光谱学和非线性量子光学中潜在的应用。

我们的课题组致力于在亚波长尺寸的中性原子阵列中开展各方面的研究，以探索和利用量子合作效应在量子计算、量子模拟和量子信息处理等领域的潜力。