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          復旦大學在突破標準量子極限的精密測量研究中獲重要進展

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            測量是科學研究中不可缺少的重要一環,追求測量的精密性是經久不衰的研究主題。作為測量的理想系統,原子體系雖已可達較高精密度,但仍受制於原子自旋的量子漲落,測量靈敏度有待進一步提升。

            近日,復旦大學物理學系精密測量物理與量子光學團隊開展國際合作研究,在突破標準量子極限的精密測量研究中取得系列重要進展。團隊利用預測和回溯測量的方法,實現瞭迄今含原子數最多的原子自旋壓縮以及突破標準量子極限的高靈敏度原子磁力計。5月13日,相關研究成果以《用預測和回溯測量實現千億個原子的自旋壓縮》(“Spin squeezing of 1011 atoms by prediction and retrodiction measurements”)為題在《自然》(Nature)主刊發表。

            路徑創新:預測和回溯技術助力原子“糾纏”,實現標準量子極限突破

            “一路學生排成縱隊,若無統一指令,伴隨著相對或相背的不定朝向,整體隊伍將混亂無序。”研究人員以此比擬量子世界。每一原子處於不同自旋態中,由於發生量子態坍塌時表現隨機且彼此互不關聯,所導致的隨機漲落噪聲無法用經典實驗方法予以消除,由此形成瞭基本物理精密測量的“天花板”,測量的靈敏度因此受限。

            復旦大學物理學系精密測量物理與量子光學團隊的目標便在於打破這一限制。“要把這群‘學生’安全、有序地帶到目的地,可巧借一根繩子讓他們一齊拉住,以限定步調大小和活動范圍。”應用於量子場景,團隊采用同一束光來和所有原子發生相互作用,原子有如“學生”,光則起到“繩子”的“中介”作用,該探測光和原子作用之後攜帶瞭原子信息,也即光和原子產生瞭糾纏,原子間的隨機漲落都被“同步”到這束光的漲落上瞭,從而實現原子間的糾纏以及量子噪聲的壓縮。

            為瞭進一步提高自旋壓縮度,團隊采用瞭丹麥奧胡斯大學理論物理學傢Klaus Mølmer教授前期發展的“過去量子態”的理論方案。相比於傳統測量方法,團隊又增設一次後續脈沖測量,形成融前期預測、中期測量、後期回溯於一體的“三明治”式三脈沖測量序列,進一步壓縮量子噪聲,達到迄今為止原子自旋壓縮態所能獲得的最好角分辨力。

          實驗裝置簡圖,原子能級以及與原子相互作用的光脈沖序列

          過去量子態(含預測和回溯測量)較傳統的測量方法(僅含“前向”預測)能獲得更高的自旋壓縮度

            “我們所采用的預測和回溯的量子測量技術,今後的應用體系將不局限於原子,還可以是光機械體系、離子體系、固態量子體系等,在量子態參數估計、量子傳感中都有用武之地。”談及研究成果的應用前景,研究人員解釋道。這也是“突破標準量子極限”精密測量走向實際應用的重要一步。

            技術攻堅:反復嘗試削弱噪聲幹擾,九年磨一劍刷新自旋壓縮態下原子數量級

            原子體系規模的選取亦對測量的精密性影響重大,壓縮更多的原子意味著突破更好的標準量子極限,這成為科研人員前赴後繼的研究方向。此前,丹麥的科研人員在2015年實現的熱原子實驗中成功將原子數提高到108,而本實驗將原子數量級推進至1011,實現迄今為止含原子數最多的自旋壓縮態,刷新歷史紀錄。

            “如同學生排隊問題一樣,人數越多,越難保證步調一致性。”對於大原子數、大尺寸的系統,固然測量精度更高,但其量子漲落也更容易被經典噪聲所淹沒,從而不易測量得到,這一度成為團隊研究進程中最為棘手的問題。

            “由於我們面對的量子測量對象的體積和原子數比前人的大1000倍以上,沒有現成的經驗可以借鑒,各種技術困難層出不窮,隻能摸著石頭過河。”研究人員坦言,實驗過程充滿挑戰性。由於大原子系統對外界雜散電磁場非常敏感,電磁場環境稍有不均勻之處,便會使原子的“糾纏”大打折扣。

            為盡可能扣除額外的噪聲擾動,研究人員對激光器的頻率、功率,原子氣室的溫度等都進行瞭嚴格的穩定控制,並抑制瞭光探測器上的電噪聲,屏蔽保護瞭所有信號線,多次更換不同尺寸的原子池。就算在一切皆已萬般仔細的前提下,實驗室的電磁場環境經常發生無規則波動。一次,團隊成員偶然發現凌晨的實驗室各種電磁噪聲、振動噪聲比較少,這讓他們欣喜不已,於是深夜加班加點成為課題組的常態。

            自2011年開始理論籌劃,2013年3月開始正式搭建,經過長期不懈的努力,課題組終於在2018年底成功地將各類經典噪聲基本排查並充分抑制。到2020年發表第一個系列的實驗結果時,該課題已走過九年時光。回顧全程,研究人員深感值得:“盡管我們對各個部分進行瞭匠心設計,實驗仍長期停滯不前,這考驗著大傢的耐心和恒心,但不斷的嘗試和失敗,也加深瞭對實驗系統和物理過程的理解,使我們發現瞭新的物理現象。”

            九年磨一劍,出鞘即見利刃。冷原子自旋壓縮實驗的開拓者之一、MIT教授Vuletić評論道:“2012年你們和我說要做這個實驗的時候,我真的沒有想到這個實驗有一天會成功。這比我的冷原子實驗的自旋壓縮難多瞭,我的實驗隻有幾千個原子,你們卻有一千億個原子,別提量子噪聲的壓縮,觀測到原子的量子噪聲都是及其困難的事!”項目合作者、美國威廉瑪麗學院教授Irina Novikova在2013年訪問復旦大學時參與瞭本實驗的最初搭建並評價道:“這是個英雄實驗。”

            據悉,該項目由復旦大學物理學系精密測量物理與量子光學團隊與英國牛津大學、丹麥奧胡斯大學、美國威廉瑪麗學院、復旦大學現代物理研究所相關團隊合作完成。復旦大學物理學系博士生包晗為論文第一作者,是本研究相關實驗的主力,還負責工作中的量子測量理論的推導。團隊還致謝俄羅斯科學傢Mikhail Balabas在特殊原子氣室方面的幫助,以及美國麻省理工學院教授Vladan Vuletić多年來富有啟發的討論。

            該項目受到國傢科技部重點研發計劃、國傢自然科學基金委“精密測量物理”重大研究計劃、復旦大學應用表面物理國傢重點實驗室、復旦大學微納光子結構教育部重點實驗室等的資助。