山西大學激光光譜研究所在原子自旋壓縮與光壓縮聯合制備研究中取得重要進展

近日，山西大學激光光譜研究所賈鎖堂教授、肖連團教授、肖豔紅教授研究團隊在原子系綜自旋壓縮與光壓縮的聯合制備研究方面取得了重要進展，相關研究成果 “Concurrent Spin Squeezing and Light Squeezing in an Atomic Ensemble” 於10月24日發表在 Physical Review Letters 期刊上。博士生金沈超爲論文的第一作者，肖豔紅教授和溫州大學王明鋒教授爲論文共同通訊作者，賈鎖堂教授和肖連團教授爲該工作提供了重要指導，光電研究所申恆教授參與了研究。

因其在光干涉儀和量子傳感等精密測量領域的重要意義，自旋壓縮態和壓縮光等量子糾纏態一直以來都是物理學的前沿研究方向之一。然而，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。儘管兩種壓縮態都涉及關聯粒子對的激發，針對飛行的光子和相對靜止的原子常常需要採用不同的壓縮方案。鑑於光和原子在波粒二象性和相干態數學描述上的緊密聯繫，從量子壓縮的角度審視二者之間的異同是一個有趣而新穎的議題。與此同時，二者的聯合壓縮也可以節約資源，並在量子計量學和量子信息等領域有新的潛在應用。然而，因爲光壓縮和原子自旋壓縮的製備一般來說需要不同的物理過程，迄今爲止，除了一些理論方案之外，它們的聯合制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、以光爲媒介的自旋壓縮一般不提供光壓縮所需的反饋機制。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，發現在精心設計的一種原子和光的對稱相互作用下，光和原子能互爲量子信息中介、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dB光壓縮。相較於先前基於量子非破壞測量的條件自旋壓縮，該聯合壓縮過程是確定性的，其製備的光場和集體原子自旋都有固定的壓縮方向。團隊還發現，儘管相互作用是對稱的，但因爲原子在空間相對固定、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噪聲的破壞。 基於這一認識，團隊後續將探索更有效的壓縮方案，並通過增加原子介質的光學厚度進一步提高壓縮度。 這種新型的光和原子的同時壓縮態在量子精密測量和量子網絡中均有重要應用價值，本研究所提出的方案也能擴展到光機械、冷原子和離子阱等其他量子平臺。

該工作得到了科技創新2030重大項目、國家自然科學基金、科技部重點研發計劃、量子光學與光量子器件國家重點實驗室以及省部共建極端光學協同創新中心的支持。（通訊員：張穎）