中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)與合肥國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究員夏添、盧征天等，利用激光冷原子方法制備成基于自旋的薛定諤貓態(tài)，其壽命達(dá)到分鐘量級(jí)，有助于提升自旋進(jìn)動(dòng)相位的測(cè)量靈敏度。近日，相關(guān)研究成果以Minutes-scale Schr?dinger-cat state of spin-5/2 atoms為題，發(fā)表在《自然-光子學(xué)》（Nature Photonics）上。

在量子精密測(cè)量中，自旋進(jìn)動(dòng)是測(cè)量磁場(chǎng)、慣性等較多物理現(xiàn)象的探針，也是用于探索超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理。在做自旋進(jìn)動(dòng)測(cè)量時(shí)，高自旋薛定諤貓態(tài)具有優(yōu)勢(shì)。這是由于高自旋量子數(shù)放大了進(jìn)動(dòng)頻率信號(hào)以及貓態(tài)對(duì)一些環(huán)境干擾因素不敏感，從而壓制了測(cè)量噪聲。實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用貓態(tài)面臨兩個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)，一是如何在高維量子空間中實(shí)現(xiàn)幺正變換的高效操控，二是需要保持足夠長(zhǎng)的量子相干時(shí)間。

該研究實(shí)現(xiàn)了具有超長(zhǎng)相干時(shí)間的薛定諤貓態(tài)。研究利用光晶格囚禁自旋為5/2的鐿-173原子，通過(guò)控制激光脈沖對(duì)原子誘導(dǎo)非線性光頻移，制備出由自旋投影為+5/2與-5/2兩個(gè)態(tài)組成的疊加態(tài)。由于這兩個(gè)態(tài)的磁量子數(shù)相距最遠(yuǎn)，因此它們的疊加態(tài)被稱為薛定諤貓態(tài)。這種貓態(tài)具有增強(qiáng)的磁場(chǎng)靈敏性，并在光晶格中感受到相同的光頻移，處于“無(wú)消相干子空間”中，從而對(duì)光晶格的強(qiáng)度噪聲和光斑形貌變化具有天然的免疫性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該貓態(tài)的相干時(shí)間突破了20分鐘。通過(guò)拉姆齊干涉測(cè)量法，研究證實(shí)了接近海森堡極限的相位測(cè)量靈敏度。

這一長(zhǎng)壽命薛定諤貓態(tài)有望為原子磁力計(jì)、量子信息糾錯(cuò)及探索新物理等開(kāi)辟新途徑。

研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和科學(xué)技術(shù)部的支持。

論文鏈接

鐿-173原子自旋在一維光晶格中形成薛定諤貓態(tài)。左邊兩個(gè)球體分別代表自旋朝上、朝下的兩個(gè)本征態(tài)，它們疊加形成由右邊球體代表的薛定諤貓態(tài)。