高自旋薛定諤貓態“壽命”突破20分鐘

科技日報合肥11月7日電 （記者吳長鋒）7日，記者從中國科學技術大學獲悉，該校研究團隊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。相關成果日前發表在《自然·光子學》上。

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。

研究過程中，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。通過拉姆齊干涉測量法，研究人員證實了接近海森堡極限的相位測量靈敏度。

研究人員表示，這一長壽命薛定諤貓態的製備，將為原子磁力計、量子信息糾錯以及探索新物理等開闢出新途徑。