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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)與合肥國(guó)家實(shí)驗(yàn)室夏添、盧征天、鄒長(zhǎng)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(dá)到分鐘量級(jí)，有助于提升對(duì)自旋進(jìn)動(dòng)相位的測(cè)量靈敏度。相關(guān)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(xué)》期刊上(Nature Photonics)。

在量子精密測(cè)量中，自旋進(jìn)動(dòng)不僅是測(cè)量磁場(chǎng)、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(biāo)準(zhǔn)模型的新物理。在做自旋進(jìn)動(dòng)測(cè)量時(shí)，高自旋薛定諤貓態(tài)具有明顯優(yōu)勢(shì)，一方面因?yàn)楦咦孕�量子�?shù)放大了進(jìn)動(dòng)頻率信號(hào)；另一方面因?yàn)樨垜B(tài)對(duì)一些環(huán)境干擾因素不敏感，從而壓制了測(cè)量噪聲。然而，實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用貓態(tài)面臨兩大技術(shù)挑戰(zhàn)：一是如何在高維量子空間中實(shí)現(xiàn)幺正變換的高效操控；二是需要保持足夠長(zhǎng)的量子相干時(shí)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(gè)球體分別代表自旋朝上、朝下的兩個(gè)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(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了一種具有超長(zhǎng)相干時(shí)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(guò)控制激光脈沖對(duì)原子誘導(dǎo)非線性光頻移，制備出由自旋投影為+5/2與-5/2兩個(gè)態(tài)組成的疊加態(tài)。由于這兩個(gè)態(tài)的磁量子數(shù)相距最遠(yuǎn)，所以它們的疊加態(tài)被稱(chēng)為薛定諤貓態(tài)。這種貓態(tài)具有增強(qiáng)的磁場(chǎng)靈敏性，同時(shí)在光晶格中感受到完全相同的光頻移，處于“無(wú)消相干子空間”中，從而對(duì)光晶格的強(qiáng)度噪聲和光斑形貌變化具有天然的免疫性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該貓態(tài)的相干時(shí)間突破了20分鐘。通過(guò)Ramsey干涉測(cè)量法，研究人員證實(shí)了接近海森堡極限的相位測(cè)量靈敏度。這一長(zhǎng)壽命薛定諤貓態(tài)為原子磁力計(jì)、量子信息糾錯(cuò)以及探索新物理等開(kāi)辟了新途徑。

合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)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(guó)家自然科學(xué)基金委和科技部的資助。

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