清華新聞網(wǎng)12月14日電 近日，清華大學(xué)物理系劉永椿副教授等人提出利用周期脈沖驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)原子自旋壓縮的方案，能夠在常見(jiàn)的耦合系統(tǒng)中制備自旋壓縮態(tài)，將這種量子態(tài)作為干涉儀的輸入態(tài)，測(cè)量精度可達(dá)到海森堡極限。
壓縮態(tài)是多粒子系統(tǒng)中的一種糾纏態(tài)，其量子噪聲能夠低于非糾纏態(tài)（相干態(tài)）的水平，因此在量子精密測(cè)量和量子信息領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。例如，典型激光場(chǎng)為相干態(tài)光場(chǎng)，其量子噪聲對(duì)應(yīng)的測(cè)量精度為標(biāo)準(zhǔn)量子極限（與根號(hào)N成反比，N為粒子數(shù)），而利用壓縮態(tài)光場(chǎng)則能夠使測(cè)量精度突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限，這一原理已在激光干涉引力波探測(cè)器（LIGO）中得到應(yīng)用。與光場(chǎng)類(lèi)似，對(duì)于由大量獨(dú)立原子組成的原子系綜，其集體自旋狀態(tài)為自旋相干態(tài)，對(duì)應(yīng)的測(cè)量精度受限于標(biāo)準(zhǔn)量子極限。若制備出自旋壓縮態(tài)，則能夠降低量子噪聲，使測(cè)量精度突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限，最終到達(dá)由不確定關(guān)系所限制的海森堡極限（與N成反比）。然而，自旋壓縮態(tài)的制備一直面臨很大的挑戰(zhàn)。
圖1：(a)(b)光-原子相互作用系統(tǒng)和偶極-偶極相互作用系統(tǒng)示意圖；(c)典型脈沖方案示意圖；(d)在脈沖方案作用下兩個(gè)子系統(tǒng)各自的量子態(tài)演化，這里在Bloch球上畫(huà)出了量子態(tài)的準(zhǔn)概率分布；(e)不同脈沖數(shù)下壓縮系數(shù)隨時(shí)間的演化。
該工作提出一種動(dòng)力學(xué)合成壓縮相互作用的機(jī)制，能夠在常見(jiàn)的耦合系統(tǒng)中有效地制備自旋壓縮態(tài)。如圖1所示，由兩個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成的耦合系統(tǒng)，如光-原子相互作用系統(tǒng)、偶極-偶極相互作用系統(tǒng)等，其本身相互作用形式是“非圧縮型”的，即僅依靠自身的動(dòng)力學(xué)演化并不能得到自旋壓縮態(tài)。該工作提出通過(guò)施加周期性的轉(zhuǎn)動(dòng)脈沖，使其中一個(gè)子系統(tǒng)（J系統(tǒng)）充當(dāng)“媒介”的角色進(jìn)行信息的傳遞和處理，可以在另外一個(gè)子系統(tǒng)（S系統(tǒng)）中等效地合成“壓縮型”的相互作用，進(jìn)而通過(guò)動(dòng)力學(xué)演化制備出自旋壓縮態(tài)。如圖2所示，通過(guò)設(shè)計(jì)相應(yīng)的脈沖序列，可實(shí)現(xiàn)等效雙軸扭曲型自旋壓縮，其最佳壓縮度對(duì)應(yīng)的測(cè)量精度可達(dá)到海森堡極限，即能夠?qū)崿F(xiàn)最大程度的量子噪聲壓縮。
圖2：(a)實(shí)現(xiàn)雙軸扭曲型自旋壓縮的脈沖方案示意圖；(b)壓縮系數(shù)隨時(shí)間的演化；(c)-(d):最佳壓縮度和最佳壓縮時(shí)間關(guān)于系統(tǒng)粒子數(shù)的標(biāo)度律。
另外，該方案獲得的等效壓縮相互作用強(qiáng)度具有集體自旋增強(qiáng)效應(yīng)（與原子數(shù)成正比），尤其在大粒子數(shù)系統(tǒng)中有助于加速實(shí)現(xiàn)最佳壓縮，且等效壓縮相互作用系數(shù)的正負(fù)號(hào)可調(diào)，從而可應(yīng)用于非線(xiàn)性干涉儀的時(shí)間反演讀出過(guò)程，能有效提高干涉儀的測(cè)量精度。
研究成果以“動(dòng)力學(xué)合成海森堡極限自旋壓縮”（Dynamic synthesis of Heisenberg-limited spin squeezing）為題發(fā)表于《量子信息》（npj Quantum Information）。論文第一作者為清華大學(xué)物理系2017級(jí)博士生黃龍剛，合作者包括物理系呂嶸研究員，通訊作者為物理系劉永椿副教授。該工作得到了基金委、科技部、清華大學(xué)低維量子物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、量子信息前沿科學(xué)中心和廣東省科技廳的資助。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41534-021-00505-z
供稿：物理系
標(biāo)題圖設(shè)計(jì)：金婭辰
編輯：李華山
審核：呂婷
