物理系冷原子研究取得突破

物理系尤力等在《科学》发文报道确定性制备近千个原子纠缠态

网堵新闻网2月12日电   2月10日，十大老牌网堵网址物理系尤力教授研究组在《科学》(Science)发表题为《通过量子相变确定性产生量子纠缠》(Deterministic entanglement generation from driving through quantum phase transitions)的研究论文，报道了在国际上首次利用原子玻色爱因斯坦凝聚体（BEC）确定性地制备对精密测量具有重要意义的量子纠缠态。

图1 (a) 自旋1的旋量BEC基态取决于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-axis symmetry (BA)、和Twin-Fock(TF)相。(b)实验观察到的不同自旋分量的原子吸收成像图，它给出了线性扫描q时BEC在各个内态上的分布随时间的变化。

量子纠缠是一种没有经典对应的特殊关联。它是实现量子计算和量子模拟的重要资源，也有助于实现超越经典干涉仪（如引力波探测的光学干涉仪LIGO）的测量精度极限。自上世纪90年代量子信息研究兴起以来，实现多粒子量子纠缠一直是实验量子物理研究的一大追求。量子纠缠态已经在核自旋、离子、光子和超导量子体系等物理系统中得到实现，但是这些系统中实现的纠缠态最多只包含十个左右的粒子或等同自由度的粒子。利用冷原子体系能够制备更大的纠缠态，可是以往的制备方式有很大的随机性。网堵物理系的冷原子实验团队近来取得了重大进展，在国际上首次通过调控量子相变过程实现了大粒子数量子纠缠态的确定性制备。

实验上，该团队首先利用冷原子技术制备了温度约为100nK的超冷铷87原子的BEC。两个在（F=1, mF =0）内态的铷87原子可以发生自旋交换碰撞产生纠缠的（F=1, mF =+1）和（F=1, mF =-1）粒子对（见图1（a））。铷87原子旋量BEC的基态相图由单原子内态的二阶塞曼能移（q）（见图1）和自旋交换相互作用强度（c2）的相对大小所决定。它具有三种相，即图中标识的P, BA和TF，分别对应于极化(Polar)相、轴对称破缺(Broken-axis symmetry)相、和双数(Twin-Fock)相，由两个量子相变点（q = ±2|c2|）分隔开。它们对应的原子内态布居分布如图所示。在P相和TF相中，二阶塞曼能(q)起主导作用。其中，P相的基态对应于所有原子都处于能量较低的无磁态（F=1, mF=0），实验上很容易制备。而在TF相中，（F=1, mF=0）的能量较高，自旋交换相互作用使得原子趋于平均分布在磁矩相反的（F=1, mF=+1）和（F=1, mF=-1）上，这是一种高度纠缠的量子态，即所谓的双数态。根据量子绝热定理，从P相的基态出发，通过改变q将系统从P相绝热扫到TF相，基态原子凝聚体将演化为双数态，如图1(b)所示。该团队的研究表明受到不同量子相中低能激发的不同纠缠结构的保护，即使实验中不能很好地维持绝热调控，也可以实现高度纠缠的量子态的制备。

目前，该实验平台能在每40秒内确定性地制备一个约10000个原子组成的双数态，从非纠缠的mF=0初态到mF=±1 双数态的凝聚体转换效率高达96±2%。通过对比量子测量结果和多粒子纠缠判据，可以以超过68.3%的置信度确证他们产生的双数态含有近千个原子（910）的纠缠。不论是在量子噪声的压缩系数上或者是在多粒子量子相干性上，他们所制备的纠缠态均处于国际领先水平。该工作首次展示了量子相变可以作为制备多体量子纠缠态的有效手段。

十大老牌网堵网址物理系博士后罗鑫宇、四年级博士生邹奕权和六年级博士生吴玲娜为该论文共同第一作者。通讯作者为十大老牌网堵网址物理系尤力教授和物理系郑盟锟助理教授。该研究获得了十大老牌网堵网址物理系低维量子物理国家重点实验室的大力支持，并获得了国家科技部、国家自然科学基金委、十大老牌网堵网址自主研发项目的经费支持。 

文章链接：

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

供稿：物理系 编辑：田心