量子壓縮態(tài)在量子精密測量、量子計算以及量子通信等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價值。目前，制備各種“物質(zhì)形態(tài)”的壓縮態(tài)已成為量子光學(xué)與量子信息研究的前沿焦點(diǎn)。然而，迄今為止，絕大多數(shù)理論與實(shí)驗(yàn)研究都圍繞單一物質(zhì)形態(tài)的壓縮態(tài)制備展開，鮮有探索涉及多種物質(zhì)形態(tài)壓縮態(tài)的同時產(chǎn)生，如何在同一個實(shí)驗(yàn)中同時制備多種物質(zhì)形態(tài)的壓縮態(tài)是一個充滿挑戰(zhàn)且極為復(fù)雜的課題。

本研究提出了一種十分創(chuàng)新的方法，通過利用一種具有高度對稱性的光與原子相互作用哈密頓量，在同一原子系綜中（包含有千億級別銣原子）同時實(shí)現(xiàn)激光光場與原子自旋的壓縮。為了構(gòu)造這種特殊形式的哈密頓量，研究團(tuán)隊(duì)采用了一種獨(dú)特的閃頻技術(shù)，即將長脈沖探測激光劈裂成許許多多個在時域上等間距的短脈沖激光信號。通過這樣操作，可激發(fā)出眾多頻率不同的Stokes與反Stokes光子，利用所激發(fā)出的Stokes光子作為媒介橋接不同的銣原子，從而形成原子間的量子糾纏，產(chǎn)生自旋壓縮；與此同時，拉曼過程中所形成的光與原子間的量子糾纏，在原子集體輻射效應(yīng)的作用下可轉(zhuǎn)化成為光子間的糾纏，由此實(shí)現(xiàn)光壓縮。上述兩個量子過程是并行且等概率的，因此能夠同時形成光與原子的壓縮（如圖1所示）。

圖1. （a）光和原子同時壓縮實(shí)驗(yàn)設(shè)置示意圖；

（b）上：光場脈沖設(shè)置示意圖；下：實(shí)現(xiàn)光和原子同時壓縮的原理示意圖；

（c）光和原子同時壓縮的熱庫物理圖像解釋示意圖。

圖2. (a) 原子自旋壓縮度與脈沖占空比的關(guān)系圖（占空比是指單個小脈沖長度與頻閃周期的比值）；

(b) 光場壓縮度與占空比關(guān)系圖，上紫色線：表示探測光光強(qiáng)與左圖中的相同，下綠色線：表示單獨(dú)優(yōu)化探測光光強(qiáng)得到的最佳光壓縮度。

光和原子自旋壓縮的壓縮程度通常用壓縮度來衡量，壓縮度小于1表示存在著自旋壓縮。在圖2中，我們展示了實(shí)驗(yàn)結(jié)果：當(dāng)占空比d=0.08時，原子自旋壓縮的壓縮度約為0.61dB，此時光的壓縮度約為0.65dB。這表明我們在實(shí)驗(yàn)上成功實(shí)現(xiàn)了光和原子的同時壓縮。我們所產(chǎn)生的光和原子同時壓縮有著廣闊的應(yīng)用前景，例如，可提高量子精密測量的測量精度、進(jìn)一步增強(qiáng)原子自旋壓縮的壓縮度等，甚至在構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的糾纏時也可能具有一定的應(yīng)用潛力。在熱原子系綜中（本實(shí)驗(yàn)中原子體系的溫度約為53.5攝氏度）制備非經(jīng)典態(tài)存在著很大的困難，原子的自發(fā)輻射和熱運(yùn)動碰撞等隨機(jī)過程都可能引入額外的噪聲，從而降低體系的壓縮度。這項(xiàng)研究歷時4年，經(jīng)過不懈努力，我們才首次在實(shí)驗(yàn)中觀察到了光和原子同時壓縮的現(xiàn)象。這一成果是繼2020年在頂級期刊《Nature》上發(fā)表的研究工作 “Spin squeezing of 10^11 atoms by prediction and retrodiction measurements”（https://doi.org/10.1038/s41586-020-2243-7，王明鋒副教授也參與了該研究）之后，在熱原子研究領(lǐng)域的又一次重要的突破。

相關(guān)研究結(jié)果以題“Concurrent Spin Squeezing and Light Squeezing in an Atomic Ensemble”發(fā)表于近期的《Physical Review Letters》，我校數(shù)理學(xué)院王明鋒副教授和山西大學(xué)肖艷紅教授為論文共同通訊作者，博士生金沈超為論文的第一作者，山西大學(xué)賈鎖堂教授、肖連團(tuán)教授為該工作提供了重要指導(dǎo)，山西大學(xué)光電研究所申恒教授參與了研究。該工作得到了科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)計劃、量子光學(xué)與光量子器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以及省部共建極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心的支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.173604