本報訊(記者嚴濤)山西大學雷射光譜研究所教授賈鎖堂、肖連團、肖豔紅團隊在原子系綜自旋壓縮與光壓縮的聯合製備研究方面取得進展。他們首次實驗實現了光和原子的聯合壓縮。相關研究成果近日發表於《物理評論快報》。
自旋壓縮態和光壓縮等量子糾纏態一直以來都是物理學的前沿研究方向之一。光壓縮和自旋壓縮態的製備與應用往往都是在不同的實驗中實現。二者的聯合壓縮不僅可以節約資源,而且在量子計量學和量子資訊等領域有新的潜在應用。然而,因為光壓縮和原子自旋壓縮的製備一般需要不同的物理過程,迄今除了一些理論方案之外,它們的聯合製備在實驗上仍是一項挑戰。
以往研究中,基於非線性相互作用的光壓縮幾乎不對原子態產生影響,而以光為媒介的自旋壓縮一般不提供光壓縮所需的迴響機制。針對該問題,團隊在理論上研究了週期性短光脈衝的頻閃光場與原子的相互作用過程。他們發現,在精心設計的一種原子和光的對稱相互作用下,光和原子能互為量子資訊仲介,從而實現聯合壓縮。
基於提出的方案,團隊首次實驗實現了光和原子的聯合壓縮,成功運用一個原子系綜同時實現了0.61±0.09db原子自旋壓縮和光壓縮。相較於先前基於量子非破壞量測的條件自旋壓縮,該聯合壓縮過程是確定的,其製備的光場和集體原子自旋都有固定的壓縮方向。
研究團隊還發現,儘管相互作用是對稱的,但因為原子在空間上相對固定,而光子總處於飛行和量子態更新的狀態,原子的自旋壓縮比光壓縮更容易受到雜訊的破壞。基於這一認識,研究人員後續將探索更有效的壓縮方案,通過新增原子介質的光學厚度進一步提高壓縮度。
上述新型光和原子的同時壓縮態在量子精密量測和量子網絡中均有重要應用價值。該研究提出的方案能擴展到光機械、冷原子和離子阱等其他量子平臺。