中國科學技術(shù)大學與合肥國家實驗室研究員夏添、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)，其壽命達到分鐘量級，有助于提升自旋進動相位的測量靈敏度。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》（Nature Photonics）上。

在量子精密測量中，自旋進動是測量磁場、慣性等較多物理現(xiàn)象的探針，也是用于探索超越標準模型的新物理。在做自旋進動測量時，高自旋薛定諤貓態(tài)具有優(yōu)勢。這是由于高自旋量子數(shù)放大了進動頻率信號以及貓態(tài)對一些環(huán)境干擾因素不敏感，從而壓制了測量噪聲。實驗中應用貓態(tài)面臨兩個技術(shù)挑戰(zhàn)，一是如何在高維量子空間中實現(xiàn)幺正變換的高效操控，二是需要保持足夠長的量子相干時間。

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

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

研究工作得到國家自然科學基金委員會和科學技術(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)。左邊兩個球體分別代表自旋朝上、朝下的兩個本征態(tài)，它們疊加形成由右邊球體代表的薛定諤貓態(tài)。