利用激光冷原子方法制備成基于自旋的薛定諤貓態(tài)

中國科學技術大學與合肥國家實驗室夏添、盧征天、鄒長鈴等人合作，利用激光冷原子方法制備成基于自旋的薛定諤貓態(tài)，其壽命達到分鐘量級，有助于提升對自旋進動相位的測量靈敏度。相關成果以“Minutes-scale Schrodinger-cat state of spin-5/2 atoms”為題于11月1日發(fā)表在《自然-光子學》期刊上(Nature Photonics)。

在量子精密測量中，自旋進動不僅是測量磁場、慣性等許多物理現(xiàn)象的有效探針，還可以用于探索超越標準模型的新物理。在做自旋進動測量時，高自旋薛定諤貓態(tài)具有明顯優(yōu)勢，一方面因為高自旋量子數(shù)放大了進動頻率信號；另一方面因為貓態(tài)對一些環(huán)境干擾因素不敏感，從而壓制了測量噪聲。然而，實驗中應用貓態(tài)面臨兩大技術挑戰(zhàn)：一是如何在高維量子空間中實現(xiàn)幺正變換的高效操控；二是需要保持足夠長的量子相干時間。

圖.鐿-173原子自旋在一維光晶格中形成薛定諤貓態(tài)。左邊兩個球體分別代表自旋朝上、朝下的兩個本征態(tài)，它們疊加形成由右邊球體代表的薛定諤貓態(tài)。

在本工作中，研究團隊成功實現(xiàn)了一種具有超長相干時間的薛定諤貓態(tài)。研究人員利用光晶格囚禁自旋為5/2的鐿-173原子，通過控制激光脈沖對原子誘導非線性光頻移，制備出由自旋投影為+5/2與-5/2兩個態(tài)組成的疊加態(tài)。由于這兩個態(tài)的磁量子數(shù)相距最遠，所以它們的疊加態(tài)被稱為薛定諤貓態(tài)。這種貓態(tài)具有增強的磁場靈敏性，同時在光晶格中感受到完全相同的光頻移，處于“無消相干子空間”中，從而對光晶格的強度噪聲和光斑形貌變化具有天然的免疫性。實驗結果表明，該貓態(tài)的相干時間突破了20分鐘。通過Ramsey干涉測量法，研究人員證實了接近海森堡極限的相位測量靈敏度。這一長壽命薛定諤貓態(tài)為原子磁力計、量子信息糾錯以及探索新物理等開辟了新途徑。

合肥微尺度物質科學研究中心楊洋博士為論文第一作者，夏添研究員和盧征天教授為共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學基金委和科技部的資助。

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