確定性制備上萬個原子糾纏態(tài)，并演示超越經(jīng)典極限的測量精度

量子糾纏是一種被愛因斯坦稱為“幽靈”般的關聯(lián)，它廣泛存在于微觀世界。在多體糾纏態(tài)中，單個粒子的測量結果不獨立，與和它糾纏的其它粒子的測量結果有關聯(lián)，這種特性可以被用于精密測量中，使得不同的粒子由量子噪聲引起的測量誤差相互抵消，從而提高測量精度并突破經(jīng)典精度極限（1/√N）的限制(N為總粒子數(shù))。糾纏的粒子數(shù)越多，精度提高的倍數(shù)就越大。然而，粒子數(shù)越多、越接近宏觀世界的系統(tǒng)越難擁有量子糾纏性質，所以大粒子數(shù)的糾纏態(tài)的制備和操控十分困難。最近，清華大學物理系尤力和鄭盟錕教授領導的一個實驗取得突破性進展，利用量子相變的方法首次制備了上萬個原子的自旋1的對稱Dicke態(tài)，并在實驗上演示了超越經(jīng)典極限的干涉測量。

圖1. A.系統(tǒng)基態(tài)的歸一化集體自旋長度大小隨二階賽曼能移(q)的變化。在q=0處，基態(tài)的集體自旋長度最大：為N，對應于自旋1的對稱Dicke態(tài)。B.自旋1的對稱Dicke態(tài)可表示為廣義Bloch球上的繞赤道的環(huán)，它是一個三模糾纏態(tài)。C.利用所制備的量子態(tài)觀測到了超越經(jīng)典極限的轉動測量精度。

Dicke態(tài)是一類重要的多體糾纏態(tài)，在量子信息和量子精密測量中有重大的潛在應用。在所有的Dicke態(tài)中，磁化為0的對稱Dicke態(tài)能夠提供最高的測量精度--接近海森堡極限：1/N。在這項工作之前，對稱Dicke態(tài)的研究和制備都是基于自旋1/2（二能級）系統(tǒng)，也就是雙數(shù)態(tài)（該團隊于2017年發(fā)表于Science）。這篇最新的工作報導了實驗上首次制備自旋1（三能級）的對稱Dicke態(tài)（圖1B）。相比于自旋1/2的情況，自旋1的粒子擁有更多的模式。因此，由它組成的多粒子糾纏態(tài)可以提供更高的測量精度。

該實驗系統(tǒng)基于一個銣87原子在F=1基態(tài)的旋量玻色愛因斯坦凝聚體。當磁場為0或二階賽曼能移(q)為0時，銣原子間的鐵磁相互作用使得它們的自旋方向傾向于平行排列，這時系統(tǒng)的集體自旋長度(l)最大，為N，它的基態(tài)為自旋1的對稱Dicke態(tài)（圖1A）。該團隊利用（類似于之前制備雙數(shù)態(tài)（2017-Science）的）調控量子相變的方法確定性地制備出了這種態(tài)。通過表征實驗制備的量子態(tài)的相干性和磁化強度的漲落，該團隊甄別到整個凝聚體中所有約11500個原子都是糾纏的，這大大提高了超冷原子體系中糾纏原子數(shù)的世界記錄。更進一步，該團隊在實驗上通過一個共振的射頻脈沖，將原子的三個內態(tài)對稱地耦合起來，從而實現(xiàn)對所制備的量子態(tài)的轉動，這等效于三模Ramsey干涉操作。對該轉動角度的測量所達到的精度相比于三模的經(jīng)典極限提高了〖2.42〗_(-1.29)^(+1.76)分貝，相對于常見的兩模經(jīng)典極限提高了〖8.44〗_(-1.29)^(+1.76) 分貝（約7倍）（圖1C）。這個結果目前主要受限于原子的探測噪聲，進一步消除探測噪聲將大大提高測量精度。該工作演示了同時利用糾纏態(tài)和多模干涉來提高測量精度，為超越經(jīng)典極限的量子測量科學提供了新的思路。

這項工作以”Beating the classical precision limit with spin-1 Dicke states of more than 10,000 atoms”為題，于2018年6月1日在線發(fā)表在《Proceedings of the National Academy of Sciences》（PNAS）期刊上[1]。尤力和鄭盟錕教授為該文章的通訊作者，物理系博士生鄒奕權和吳玲娜（現(xiàn)在為馬普復雜物理研究所博士后）為文章共同第一作者。該研究由國家科技部、國家自然科學基金委、教育部2011協(xié)同創(chuàng)新、清華大學自主研發(fā)項目的經(jīng)費支持，并得到了物理系、低維量子物理國家重點實驗室的大力支持。

參考文獻

[1] Zou, Y.Q., Wu, L.N., Liu, Q., Luo, X.Y., Guo, S.F., Cao, J.H., Tey, M.K. and You, L., 2018. Beating the classical precision limit with spin-1 Dicke states of more than 10,000 atoms. Proceedings of the National Academy of Sciences, p.201715105.