物理系冷原子研究取得突破

物理系尤力等在《科學(xué)》發(fā)文報(bào)道確定性制備近千個(gè)原子糾纏態(tài)

清華新聞網(wǎng)2月12日電   2月10日，清華大學(xué)物理系尤力教授研究組在《科學(xué)》(Science)發(fā)表題為《通過(guò)量子相變確定性產(chǎn)生量子糾纏》(Deterministic entanglement generation from driving through quantum phase transitions)的研究論文，報(bào)道了在國(guó)際上首次利用原子玻色愛(ài)因斯坦凝聚體（BEC）確定性地制備對(duì)精密測(cè)量具有重要意義的量子糾纏態(tài)。

圖1 (a) 自旋1的旋量BEC基態(tài)取決于單原子內(nèi)態(tài)的二階塞曼能移（q）和凝聚體中自旋交換相互作用強(qiáng)度（c2）的相對(duì)大小，依次出現(xiàn)Polar (P)、Broken-axis symmetry (BA)、和Twin-Fock(TF)相。(b)實(shí)驗(yàn)觀(guān)察到的不同自旋分量的原子吸收成像圖，它給出了線(xiàn)性?huà)呙鑡時(shí)BEC在各個(gè)內(nèi)態(tài)上的分布隨時(shí)間的變化。

量子糾纏是一種沒(méi)有經(jīng)典對(duì)應(yīng)的特殊關(guān)聯(lián)。它是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算和量子模擬的重要資源，也有助于實(shí)現(xiàn)超越經(jīng)典干涉儀（如引力波探測(cè)的光學(xué)干涉儀LIGO）的測(cè)量精度極限。自上世紀(jì)90年代量子信息研究興起以來(lái)，實(shí)現(xiàn)多粒子量子糾纏一直是實(shí)驗(yàn)量子物理研究的一大追求。量子糾纏態(tài)已經(jīng)在核自旋、離子、光子和超導(dǎo)量子體系等物理系統(tǒng)中得到實(shí)現(xiàn)，但是這些系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的糾纏態(tài)最多只包含十個(gè)左右的粒子或等同自由度的粒子。利用冷原子體系能夠制備更大的糾纏態(tài)，可是以往的制備方式有很大的隨機(jī)性。清華物理系的冷原子實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)近來(lái)取得了重大進(jìn)展，在國(guó)際上首次通過(guò)調(diào)控量子相變過(guò)程實(shí)現(xiàn)了大粒子數(shù)量子糾纏態(tài)的確定性制備。

實(shí)驗(yàn)上，該團(tuán)隊(duì)首先利用冷原子技術(shù)制備了溫度約為100nK的超冷銣87原子的BEC。兩個(gè)在（F=1, mF =0）內(nèi)態(tài)的銣87原子可以發(fā)生自旋交換碰撞產(chǎn)生糾纏的（F=1, mF =+1）和（F=1, mF =-1）粒子對(duì)（見(jiàn)圖1（a））。銣87原子旋量BEC的基態(tài)相圖由單原子內(nèi)態(tài)的二階塞曼能移（q）（見(jiàn)圖1）和自旋交換相互作用強(qiáng)度（c2）的相對(duì)大小所決定。它具有三種相，即圖中標(biāo)識(shí)的P, BA和TF，分別對(duì)應(yīng)于極化(Polar)相、軸對(duì)稱(chēng)破缺(Broken-axis symmetry)相、和雙數(shù)(Twin-Fock)相，由兩個(gè)量子相變點(diǎn)（q = ±2|c2|）分隔開(kāi)。它們對(duì)應(yīng)的原子內(nèi)態(tài)布居分布如圖所示。在P相和TF相中，二階塞曼能(q)起主導(dǎo)作用。其中，P相的基態(tài)對(duì)應(yīng)于所有原子都處于能量較低的無(wú)磁態(tài)（F=1, mF=0），實(shí)驗(yàn)上很容易制備。而在TF相中，（F=1, mF=0）的能量較高，自旋交換相互作用使得原子趨于平均分布在磁矩相反的（F=1, mF=+1）和（F=1, mF=-1）上，這是一種高度糾纏的量子態(tài)，即所謂的雙數(shù)態(tài)。根據(jù)量子絕熱定理，從P相的基態(tài)出發(fā)，通過(guò)改變q將系統(tǒng)從P相絕熱掃到TF相，基態(tài)原子凝聚體將演化為雙數(shù)態(tài)，如圖1(b)所示。該團(tuán)隊(duì)的研究表明受到不同量子相中低能激發(fā)的不同糾纏結(jié)構(gòu)的保護(hù)，即使實(shí)驗(yàn)中不能很好地維持絕熱調(diào)控，也可以實(shí)現(xiàn)高度糾纏的量子態(tài)的制備。

目前，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能在每40秒內(nèi)確定性地制備一個(gè)約10000個(gè)原子組成的雙數(shù)態(tài)，從非糾纏的mF=0初態(tài)到mF=±1 雙數(shù)態(tài)的凝聚體轉(zhuǎn)換效率高達(dá)96±2%。通過(guò)對(duì)比量子測(cè)量結(jié)果和多粒子糾纏判據(jù)，可以以超過(guò)68.3%的置信度確證他們產(chǎn)生的雙數(shù)態(tài)含有近千個(gè)原子（910）的糾纏。不論是在量子噪聲的壓縮系數(shù)上或者是在多粒子量子相干性上，他們所制備的糾纏態(tài)均處于國(guó)際領(lǐng)先水平。該工作首次展示了量子相變可以作為制備多體量子糾纏態(tài)的有效手段。

清華大學(xué)物理系博士后羅鑫宇、四年級(jí)博士生鄒奕權(quán)和六年級(jí)博士生吳玲娜為該論文共同第一作者。通訊作者為清華大學(xué)物理系尤力教授和物理系鄭盟錕助理教授。該研究獲得了清華大學(xué)物理系低維量子物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的大力支持，并獲得了國(guó)家科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、清華大學(xué)自主研發(fā)項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)支持。 

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http://science.sciencemag.org/content/355/6325/620.full

供稿：物理系 編輯：田心