“薛定諤的貓”活了20多分鐘！我學者實現高自旋原子的長壽命薛定諤貓態

據中國科學技術大學新聞網11月5日消息，該校與合肥國家實驗室夏添、盧徵天、鄒長鈴等人合作，利用激光冷原子方法制備成基於自旋的薛定諤貓態，其壽命達到分鐘量級，有助於提升對自旋進動相位的測量靈敏度。相關成果於11月1日發表在《自然-光子學》期刊上。

據介紹，在量子精密測量中，自旋進動不僅是測量磁場、慣性等許多物理現象的有效探針，還可以用於探索超越標準模型的新物理。在做自旋進動測量時，高自旋薛定諤貓態具有明顯優勢，一方面因為高自旋量子數放大了進動頻率信號；另一方面因為貓態對一些環境干擾因素不敏感，從而壓制了測量噪聲。然而，實驗中應用貓態面臨兩大技術挑戰：一是如何在高維量子空間中實現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。

鐿-173原子自旋在一維光晶格中形成薛定諤貓態。左邊兩個球體分別代表自旋朝上、朝下的兩個本徵態，它們疊加形成由右邊球體代表的薛定諤貓態。

在本工作中，研究團隊成功實現了一種具有超長相干時間的薛定諤貓態。研究人員利用光晶格囚禁自旋為5/2的鐿-173原子，通過控制激光脈衝對原子誘導非線性光頻移，製備出由自旋投影為+5/2與-5/2兩個態組成的疊加態。由於這兩個態的磁量子數相距最遠，所以它們的疊加態被稱為薛定諤貓態。這種貓態具有增強的磁場靈敏性，同時在光晶格中感受到完全相同的光頻移，處於“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。

實驗結果表明，該貓態的相干時間突破了20分鐘。通過Ramsey干涉測量法，研究人員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為原子磁力計、量子信息糾錯以及探索新物理等開闢了新途徑。