量子暗态在降噪方面具有优势
光学腔内超辐射势“过山车”上的多能级原子。该系统可以调整为在黑暗状态下产生挤压，从而不受超辐射的影响。图片来源：Steven Burrows/Rey Group
虽然原子钟已经是宇宙中最精确的计时设备，但物理学家正在努力进一步提高它们的准确性。一种方法是利用时钟原子中的自旋挤压态。
自旋挤压态是纠缠态，在这种态中，系统中的粒子共同抵消其固有的量子噪声。因此，这些状态为量子增强计量提供了巨大的机会，因为它们允许更精确的测量。然而，在所需的光学跃迁中，几乎没有外部噪声的自旋压缩状态很难准备和保持。
产生自旋挤压状态或挤压的一种特殊方法是将时钟原子放入光学腔中，这是一组镜子，光线可以在其中来回反射多次。在腔中，原子可以同步它们的光子发射，并发出比任何一个原子都亮得多的光，这种现象被称为超辐射。根据超辐射的使用方式，它可能导致纠缠，或者，它可以破坏所需的量子态。
在JILA和NIST研究员Ana Maria Rey和James Thompson合作完成的一项先前研究中，研究人员发现，多能级原子（具有两个以上的内部能量状态）提供了利用超辐射发射的独特机会，而是诱导原子相互抵消发射并保持黑暗。
现在，在发表在《物理评论快报》和《物理评论A》上的两篇新论文中，Rey和她的团队发现了一种方法，不仅可以在空腔中产生暗状态，而且更重要的是，使这些状态自旋受到挤压。他们的发现可能为产生纠缠时钟开辟了非凡的机会，这可能会以一种迷人的方式推动量子计量学的前沿。
在超辐射过山车上滚动到黑暗状态
几年来，Rey和她的团队一直在研究通过在空腔内形成暗态来利用超辐射的可能性。由于暗状态是通常的光发射路径具有破坏性干扰的独特配置，因此这些状态不会发光。雷伊和她的团队已经证明，当以某些初始状态制备的原子被放置在空腔内时，可以实现暗状态。
以这种方式制备，量子态可以不受超辐射或光发射到腔中的影响。原子仍然可以在腔外发光，但速度比超辐射慢得多。
前JILA博士后研究员Asier Piñeiro Orioli是Thompson先前研究的首席研究员，也是最近发表的两项研究的贡献者，他发现了一种简单的方法来理解腔体中暗态的出现，即他们所谓的超辐射势。
雷伊说：“我们可以把超辐射势想象成原子乘坐的过山车。当它们从山上掉下来时，它们会集体发光，但当它们到达山谷时可能会被卡住。在山谷中，原子形成暗态并停止向空腔发射光。
在他们之前与汤普森的合作中，JILA研究人员发现黑暗状态必须至少有一点点纠缠在一起。
“我们旨在在这两部新作品中解决的问题是，它们是否可以既黑暗又高度纠缠，”第一作者、前JILA博士后研究员Bhuvanesh Sundar解释说。“令人兴奋的是，我们不仅发现答案是肯定的，而且这些类型的挤压状态准备起来相当简单。
创建高度纠缠的暗状态
在这项新的研究中，研究人员找到了两种可能的方法，使原子处于高度纠缠的自旋挤压状态。一种方法是用激光照射原子，使它们在基态以上激发它们，然后将它们置于超辐射势上的特殊点，也称为鞍点。在鞍点，研究人员通过关闭激光让原子在空腔中放松，有趣的是，原子重塑了它们的噪声分布并变得高度挤压。
“鞍点是势同时具有零曲率和零坡度的山谷，”雷伊解释道。“这些都是特殊的点，因为原子是黑暗的，但处于不稳定的边缘，因此往往会重塑它们的噪声分布，使其受到挤压。
另一种提出的方法涉及将超辐射态转移到暗态。在这里，研究小组还发现了其他特殊点，其中原子靠近特殊的“亮点”点 - 不是在过山车的山谷中，而是在曲率为零的点 - 超辐射和外部激光之间的相互作用产生自旋挤压。
“巧妙的是，在这些亮点处产生的自旋挤压可以转移到黑暗状态，在适当对准后，我们可以关闭激光并保留挤压，”Sundar补充道。
这种转移的工作原理是首先将原子驱动到超辐射势的山谷中，然后使用具有适当偏振（或光振荡方向）的激光相干地对齐压缩方向，使压缩状态不受超辐射的影响。
将压缩态转变为暗态不仅保留了压缩态的降低噪声特性，而且确保了它们在没有外部激光驱动的情况下的生存，这是量子计量学实际应用的关键因素。
虽然发表在《物理评论快报》上的研究仅使用激光的一种偏振来诱导自旋挤压，产生两种压缩模式，但《物理评论》A论文通过使用激光的两种偏振进一步进行了模拟，从而产生了四种自旋挤压模式（每种偏振两种模式）。
“在这两篇论文中，我们考虑了具有许多内部能级的多能级原子，”Piñeiro Orioli说，“拥有许多内部能级比具有两个能级更难模拟，这在文献中经常被研究。因此，我们开发了一套工具来解决这些多级系统。我们制定了一个公式来计算初始状态产生的纠缠。
这些研究的结果可能对原子钟产生深远的影响。通过产生暗纠缠态来克服超辐射的局限性，物理学家要么使用原子作为存储器来存储纠缠态（允许从这些状态中检索信息），要么将纠缠态注入时钟或干涉仪序列中进行量子增强测量。
更多信息：Bhuvanesh Sundar 等人，通过空腔超辐射在暗态中挤压多能级原子，物理评论快报 （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.132.033601.在arXiv上： DOI： 10.48550/arxiv.2302.10828
Bhuvanesh Sundar 等人，光学腔中多能级原子的驱动耗散四模式压缩，物理评论 A （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevA.109.013713.在arXiv上： DOI： 10.48550/arxiv.2309.10717