解锁量子奥秘——自旋压缩原子纠缠

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翻译：练唯予

美编：刘艳梅

后台：李子琦

更高精度的原子钟，比如这里描述的“镊子钟”，可以通过一种心底方法“自旋压缩”来连接或“纠缠”原子，在这种方法中，通过降低互补属性的测量精度，可以比量子力学通常允许的更精确地测量原子的一种属性。

图片来源：Steven Burrows 和 Rey Group/JILA

研究者们已经发展出了纠缠大量粒子的方法，提高了量子测量的精度和速度，这些进步可能会彻底改变量子传感器和原子钟，并有可能应用在基础物理研究中。

JILA的研究者们已经研发出“纠缠”或相互链接大量粒子性质的新方法，为量子传感器，原子钟与基础物理测试创造了新的可能性。在这个过程中他们设计出了即使在干扰性，噪声性的环境中也能更精确地测量大量原子的方法。

一组发表在Nature的论文中描述了这些新的方法。JILA 是美国国家标准与技术研究所 (NIST) 和科罗拉多大学博尔德分校的联合研究所。

纠缠的魔力

理论物理学家兼JILA和NIST的研究员Ana Maria Rey说道：“纠缠是测量科学的圣杯，原子是迄今最好的传感器，它们遍布宇宙。但问题出在它们是量子物体，所以本质上会有很多噪音。测量它们时它们有时在一个能级，有时又在另一个。但纠缠它们可以消除这些噪音。”原子被纠缠时，对一个原子发生的事情会影响所有与它纠缠的原子。拥有几十个甚至几百个纠缠起来共同工作的原子减少了噪声，并且测量的信号也会变得更清晰和确切。纠缠的原子也减少了科学界需要进行测量的次数并以更少的时间获得结果。

达到纠缠的一个方法是自旋压缩过程。像任何遵循量子物理规律的物体一样，原子可以同时存在于多种能量状态——这种能力叫叠加。自旋压缩将一个原子里所有可能的叠加的状态减少到了寥寥几种，这就像挤气球的过程。挤压气球时，气球的中部会收缩，两侧会变大。当原子被自旋压缩是，它们的可能状态会在一些方向上被减缩并在其他方向上扩大。

如何解决原子相互作用的距离问题？

但纠缠距离遥远的原子是很困难的一件事。原子对离它们最近的原子产生最强的相互作用；原子距离越远，相互作用越弱。

可以将其想作人们在一个吵闹的聚会上说话，距离近的人们可以交谈，但那些隔了一整个房间的人基本听不到她们，信息传输由此中断。科学家们想让整个聚会上的原子同时互相交流，全球的物理学家都在寻找能达成纠缠的不同方法。

物理学家兼JILA的研究员Adam Kaufman说：“社群的主要目标是产生一种能以更短时间达到更精确的测量的纠缠状态。”

Rey和她在合因斯布鲁克大学的合作者们的其中一人表明，Kaufman和Rey共同提出了实现这种纠缠的提案。

用离子实验来突破界限

在这个实验中，团队在一个陷阱里罗列了51个钙离子并使用激光去引发它们的相互作用。这是因为激光可以激发声子——类似于声波一样的原子间震动。这些声子在一系列原子中发散开来，将它们联系起来。在先前的实验中，这些联系被设计成静态的，因此被激光照射时，离子只能与一组特定的离子对话。

通过加入外界磁场，这些联系变成动态（随时间增加变化）是可能的。这表明一个先前只可以与一组交流的离子可以与另一组离子交流进行，最后这个离子能与这批的所有离子进行交流。Rey说，这就解决了距离的问题，而且整个原子线上的相互作用都很强，现在所有原子共同工作，且能够在路径上与对方无损地传递信息。

在很短的时间里，离子可以纠缠在一起，形成自旋压缩状态，但再过一段时间，它们就会变成猫态。这种状态因Erwin Schrodinger关于叠加的著名思想实验而得名，在该实验中他提出，一只被困在盒子里的猫既是活着的又是死的，直到我们打开盒子并观察到它的状态。对于原子来说，猫态是一种特殊的叠加。在该叠加里，原子同时处在两种截然相反的状态，类似于上旋和下旋。Rey指出，猫态是高度纠缠的，这使得它们特别适合测量科学。

未来方向与光学钟的进步

下一步将尝试用二维原子阵列来应用这项技术，增加原子数量以延长它们在纠缠态中停留的时间。此外，它还可能让科学家更精确、更快速地进行测量。

研究人员将140个锶原子装入光学晶格中，这是一个容纳原子的单一光平面。他们使用精细控制的光束（称为光镊）将原子放入每格16到70个原子的子组中。使用高功率紫外激光，他们激发原子进入其通常的“时钟”状态和更高能量的里德堡状态的叠加，这种技术称为Rydberg dressing。

时钟态原子就像是拥挤派对上安静的人，它们不会与其他原子发生强烈相互作用。但对于里德堡态的原子来说，最外层电子距离原子中心非常远，以至于原子的尺寸实际上非常大，使其能够与其他原子发生更强烈的相互作用。

现在整个聚会都在说话，借助这种自旋压缩技术，他们可以在整批含有70个原子的阵列中产生纠缠。

研究人员比较了不同含有70个原子的组别之间的频率测量结果，发现这种纠缠提高了非纠缠粒子极限（即标准量子极限）以下的精度。

更快、更精确的测量将使这些时钟成为更好的搜索暗物质的传感器，并产生更精确的时间和频率测量值。

参考文献

1. “Quantum-enhanced sensing on optical transitions through finite-range interactions” by Johannes Franke, Sean R. Muleady, Raphael Kaubruegger, Florian Kranzl, Rainer Blatt, Ana Maria Rey, Manoj K. Joshi and Christian F. Roos, 30 August 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-06472-z

2. “Realizing spin squeezing with Rydberg interactions in an optical clock” by William J. Eckner, Nelson Darkwah Oppong, Alec Cao, Aaron W. Young, William R. Milner, John M. Robinson, Jun Ye and Adam M. Kaufman, 30 August 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-06360-6

责任编辑：陈玮菁

牧夫新媒体编辑部

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