量子暗态在降噪方面具有优势

光学腔内的超辐射势“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。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其准确性。一种方法是利用时钟原子的自旋压缩态。自旋压缩态是一种纠缠态，在这种纠缠态中，系统中的粒子相互作用以抵消其固有的量子噪声。因此，这些状态为量子增强计量学提供了巨大的机会，因为它们允许更精确的测量。然而，在期望的光学跃迁中，几乎没有外部噪声的自旋压缩态很难制备和维持。

产生自旋压缩状态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单独发出的光都要亮得多的光，这种现象被称为超辐射。根据超辐射的使用方式，它可以导致纠缠，或者，它可以破坏期望的量子态。

在之前的一项研究中，由JILA和NIST研究员Ana Maria Rey和James Thompson合作完成，研究人员发现多层原子(具有两个以上的内能态)提供了独特的机会来利用超辐射发射，而不是诱导原子相互抵消发射并保持黑暗。现在，在《物理评论快报》和《物理评论a》上发表的两篇新论文中，雷伊和她的团队发现了一种方法，不仅可以在腔中创造暗态，更重要的是，可以使这些状态自旋压缩。他们的发现可能为产生纠缠时钟开辟了非凡的机会，这可能以一种迷人的方式推动量子计量学的前沿。乘坐超光过山车进入黑暗状态

几年来，雷伊和她的团队一直在研究通过在一个腔内形成暗态来利用超辐射的可能性。由于暗态是一种独特的构型，在这种构型中，通常的光发射路径会发生破坏性的干扰，因此暗态不发光。雷伊和她的团队已经证明，当在特定初始状态下制备的原子被放置在一个空腔中时，暗态是可以实现的。以这种方式制备，量子态可以保持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，但速度要比超辐射慢得多。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，它们会被卡住。在山谷处，原子形成暗态并停止向腔内发光。"

在他们之前与汤普森的合作中，JILA的研究人员发现暗态至少有一点纠缠。第一作者、前JILA博士后研究员Bhuvanesh Sundar解释说:“我们在这两项新研究中想要解决的问题是，它们是否可以既黑暗又高度纠缠。”“令人兴奋的是，我们不仅发现答案是肯定的，而且这些类型的压缩状态的制备相当简单。”

创造高度纠缠的暗态

在新的研究中，研究人员发现了两种可能的方法来制备高度纠缠的自旋压缩状态的原子。一种方法是用激光照射原子，使它们的能量超过基态，然后将它们放置在超辐射势的特殊点上，也称为鞍点。在鞍点，研究人员通过关闭激光让原子在腔中放松，有趣的是，原子重塑了它们的噪声分布，并变得高度压缩。雷伊解释说:“鞍点是山谷，在那里势能同时具有零曲率和零斜率。“这些是特殊的点，因为原子是暗的，但在变得不稳定的边缘，因此倾向于重塑它们的噪声分布，从而被压缩。”

另一种提出的方法涉及将超辐射态转移到暗态。在这里，研究小组还发现了原子靠近特殊“亮”点的其他特殊点——不是在过山车的山谷中，而是在曲率为零的点上——在那里，超辐射和外部激光之间的相互作用产生了自旋压缩。桑达尔补充说:“奇妙的是，在这些亮点处产生的自旋压缩可以转移到暗态，在适当的校准之后，我们可以关闭激光并保持压缩。”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)的激光相干地排列压缩方向，使压缩状态免受超辐射的影响。压缩态向暗态的转移不仅保留了压缩态的降噪特性，而且保证了它们在没有外部激光驱动的情况下存活，这是量子计量实际应用的关键因素。

发表在《物理评论快报》上的研究只使用了激光的一个偏振来诱导自旋压缩，产生了两个压缩模式，而《物理评论A》的论文则进一步使用了激光的两个偏振，产生了四个自旋压缩模式(每个偏振有两个模式)。“在这两篇论文中，我们考虑了具有许多内部能级的多层原子，”Piñeiro Orioli说，“具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。我们推导出了一个计算初始态产生的纠缠的公式。"

这些研究的发现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，物理学家可以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)，或者将纠缠态注入时钟或干涉仪序列中进行量子增强测量。