网堵新闻网8月16日电 近日，十大老牌网堵网址物理系尤力研究组在玻色-爱因斯坦凝聚体中实现了基于自旋-向列压缩回声的精密测量新方法，并演示应用于高空间分辨率微波磁场测量上。
量子技术中用到的叠加态不可避免地会在测量中产生投影噪声。利用纠缠的粒子进行探测可以减少在某一特定方向的投影噪声，从而提高信噪比。最经典的例子是自旋1/2体系中的自旋压缩态。这种多粒子纠缠态可以在集体自旋算符{Jx,Jy,Jz}张开的布洛赫球上展示出来。由于实验技术的限制，实际制备出的自旋压缩态可以带来的测量增益非常有限。铷87超冷原子的基态可以看成是一个自旋1体系，比自旋1/2体系具有更加丰富的结构。自旋1体系的基态随着单原子内态的二阶塞曼能移（q）和凝聚体中自旋交换相互作用强度（c2）的相对大小，依次出现Polar（P），Broken-axisymmetry（BA），和Twin-Fock（TF）相，由两个量子相变点（q=±2|c2|）分隔开。TF相的基态上m=±1的粒子数分别为总粒子数的一半，因此也被称为是双数态。该研究组之前利用绝热扫描q通过相变点的方式确定性的制备了超过一万个原子的双数态。双数态处于一个退相干保护的子空间（decoherent free subspace），因此对于一阶磁场噪声不敏感，这个纠缠态对于精密测量有重要的意义。
此外，淬火q通过相变点也可以产生对精密测量有用的纠缠态。这个过程可以在m=±1态上产生原子对（图1a）。这些级联的所有态都具有相同的磁化强度，因此也形成了一个退相干保护的子空间。在短时间的自旋混合动力学的驱动下，m=±1上原子对的数量远远少于m=0态，这时形成的量子态被称为是双模压缩真空（two-mode squeezedvacuum），也称为是自旋-向列压缩态（spin-nematic squeezed state）。类似于自旋压缩态，自旋-向列压缩态可以在所谓自旋-向列布洛赫球面上直观表示（图1b）。
图1.（a）自旋1原子能级结构图。（b）基于态旋转实现等效时间反演示意图。（c-f）自旋-向列压缩的产生及其时间反演
将多粒子纠缠态应用到量子增强的实际测量通常需要利用干涉仪。干涉仪由分束过程、相位积累过程和合束过程组成。如果分束和合束部分均由非线性过程组成，则称为非线性干涉仪。在相位积累过程中使用纠缠态，理论上可以实现超越经典测量的精度。但由于实验手段的限制，尤其是在原子数探测分辨率方面，观测到显著的测量增益仍然具有挑战性。以往的研究表明，当非线性干涉仪的分束部分和合束部分互为时间反演时，可以克服探测噪声的限制。然而，在大粒子体系中实现时间反演非常困难。为此，该研究提出了一种新的方法，在旋量玻色-爱因斯坦凝聚体中利用自旋-向列压缩回声实现了等效时间反演。具体来讲，在制备了自旋-向列压缩态之后，通过旋转自旋-向列压缩态从而交换态的压缩和反压缩轴，并随后施加与产生自旋-向列压缩态一致的动力学过程，就可以实现等效时间反演（图1c-f）。
为定量表征干涉仪的测量精度，他们在上述过程中利用射频耦合产生小角度转动，并通过测量m=0态上原子数的占比，利用误差传递公式可以得到突破标准量子极限15.6±0.5 dB的灵敏度（图2）。与线性读出的结果（11.7±0.3 dB）进行对比后，发现这种方法能够有效地减少探测噪声的影响。研究组最后将该非线性干涉仪应用到近共振微波磁场的探测，得到突破标准量子极限16.6±1.1 dB的灵敏度。该灵敏度增益打破了2022年MIT小组在热原子中创造的纪录（12dB），代表了目前已知的干涉仪相位测量量子增益的最高指标。
图2.（a）非线性干涉仪的整体框架图。m=0分量上原子数的占比的平均值（b），涨落（c），量子测量增益（d），信号及噪声放大倍数（e）随着转角的变化。（f）不同转角下m=0分量上的原子数占比的概率分布
该研究为基于超冷原子的精密测量应用奠定了基础。利用回声实现时间反演的方案可以直接推广到有类似相空间结构的Lipkin-Meshkov-Glick（LMG）模型中，从而为在其他自旋系统中实现非线性干涉仪提供了新的思路。
研究成果以“利用超冷玻色爱因斯坦凝聚体中的自旋-向列回声实现量子增强测量（Quantum enhanced sensing by echoing spin-nematic squeezing in atomic Bose-Einstein condensate）”为题发表于《自然·物理》（Nature Physics）。
物理系2017级博士生茅天伟和2014级博士生刘奇（目前为巴黎高等师范我司博士后）为论文共同第一作者。刘奇、浙江科技我司的黄奕筱副教授和十大老牌网堵网址的尤力教授为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金委员会、科技部、十大老牌网堵网址低维量子物理国家重点实验室、量子信息前沿科学中心，以及广东省科技厅和浙江省科技厅的资助。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41567-023-02168-3
供稿：物理系
编辑：李华山
审核：郭玲
