长寿的Schrödinger's-cat状态达到了海森堡极限灵敏度
发布时间:2025-01-23 09:28:29 阅读数: 71
173Yb原子的自旋在一维光学晶格中形成Schrödinger-cat状态。来源:杨洋等人
在中国科学技术大学(USTC),陆正田教授和夏田研究员带领的研究团队取得了一项令人瞩目的成就:他们利用光学捕获的冷原子,创造出了一种能够维持分钟级寿命的Schrödinger-cat(薛定谔猫)状态,这一突破极大地提升了量子计量测量的精准度。这项研究成果被发表在了权威的科学杂志《自然光子学》上。
想象一下,在量子世界里,粒子(如原子)的自旋就像是一个微小的指南针,能够非常敏感地响应磁场、惯性等物理现象,甚至可能揭示出标准模型之外的新物理秘密。而高自旋的Schrödinger-cat状态,就像是这个微小指南针的两个极端指向(比如指向正北和正南)同时存在的神奇叠加,这种叠加态为测量提供了前所未有的优势。
为什么这种叠加态如此特别呢?首先,高自旋意味着粒子的“指南针”转动得更快,就像是一个快速旋转的陀螺,这使得它对外界变化的响应更加敏锐,从而放大了测量的信号。其次,Schrödinger-cat状态对环境中的一些干扰不太敏感,就像是一个精心设计的隔音室,能够有效减少外界噪声对测量的影响。
然而,要在实验中实现并维持这种神奇的叠加态并非易事,尤其是要保持其长时间的相干性(即保持叠加态不塌缩成单一状态)。为了克服这一难题,研究团队采用了光学晶格来捕获自旋为5/2的173Yb原子。他们通过精确控制激光脉冲,就像是用一束光之手轻轻拨动原子的“琴弦”,诱导原子基态发生非线性光位移,成功制备出了由+5/2和-5/2两个极端自旋投影组成的叠加态,即Schrödinger-cat状态。
这种状态下,原子就像是一个超级敏感的磁场探测器,不仅能够显著增强对磁场的响应,而且由于它位于无退相干的子空间中,因此不受晶格强度噪声和空间变化的影响。实验结果显示,这种cat态的相干时间竟然超过了20分钟,这在量子实验中是一个相当惊人的数字。
更令人兴奋的是,研究人员利用拉姆齐干涉测量法,发现这种状态的相位测量灵敏度已经接近了海森堡极限——这是量子力学所能达到的测量精度的理论上限。这意味着,利用这种长期存在的Schrödinger-cat状态,我们可以开发出更加精确的原子磁强计,甚至可能在量子计算和探索新物理领域取得突破。
总之,这项研究不仅展示了量子世界的奇妙与魅力,更为我们打开了通往更高精度测量和未知物理领域的大门。