实验室在自旋压缩研究中取得进展
2021年12月13日
近日，刘永椿副教授等人提出利用周期脉冲驱动实现原子自旋压缩的方案，能够在常见的耦合系统中制备自旋压缩态，将这种量子态作为干涉仪的输入态，测量精度可达到海森堡极限。研究成果以“Dynamic synthesis of Heisenberg-limited spin squeezing”为题发表于《npj Quantum Information》。
压缩态是多粒子系统中的一种纠缠态，其量子噪声能够低于非纠缠态（相干态）的水平，因此在量子精密测量和量子信息领域具有重要应用价值。例如，典型激光场为相干态光场，其量子噪声对应的测量精度为标准量子极限（与根号N成反比，N为粒子数），而利用压缩态光场则能够使测量精度突破标准量子极限，这一原理已在激光干涉引力波探测器（LIGO）中得到应用。与光场类似，对于由大量独立原子组成的原子系综，其集体自旋状态为自旋相干态，对应的测量精度受限于标准量子极限。若制备出自旋压缩态，则能够降低量子噪声，使测量精度突破标准量子极限，最终到达由不确定关系所限制的海森堡极限（与N成反比）。然而，自旋压缩态的制备一直面临很大的挑战。
图1：(a) (b)光-原子相互作用系统和偶极-偶极相互作用系统示意图；(c)典型脉冲方案示意图；(d)在脉冲方案作用下两个子系统各自的量子态演化，这里在Bloch球上画出了量子态的准概率分布；(e)不同脉冲数下压缩系数随时间的演化。
该工作提出一种动力学合成压缩相互作用的机制，能够在常见的耦合系统中有效地制备自旋压缩态。如图1所示，由两个子系统构成的耦合系统，如光-原子相互作用系统、偶极-偶极相互作用系统等，其本身相互作用形式是“非圧缩型”的，即仅依靠自身的动力学演化并不能得到自旋压缩态。该工作提出通过施加周期性的转动脉冲，使其中一个子系统（J系统）充当“媒介”的角色进行信息的传递和处理，可以在另外一个子系统（S系统）中等效地合成“压缩型”的相互作用，进而通过动力学演化制备出自旋压缩态。如图2所示，通过设计相应的脉冲序列，可实现等效双轴扭曲型自旋压缩，其最佳压缩度对应的测量精度可达到海森堡极限，即能够实现最大程度的量子噪声压缩。
图2：(a)实现双轴扭曲型自旋压缩的脉冲方案示意图；(b)压缩系数随时间的演化；(c)-(d):最佳压缩度和最佳压缩时间关于系统粒子数的标度律。
另外，该方案获得的等效压缩相互作用强度具有集体自旋增强效应（与原子数成正比），尤其在大粒子数系统中有助于加速实现最佳压缩，且等效压缩相互作用系数的正负号可调，从而可应用于非线性干涉仪的时间反演读出过程，能有效提高干涉仪的测量精度。
论文第一作者为物理系博士生黄龙刚，合作者包括物理系吕嵘研究员，通讯作者为刘永椿副教授。该工作得到了基金委、科技部、清华大学低维量子物理国家重点实验室、量子信息前沿科学中心和广东省科技厅的资助。