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“一路學(xué)生排成縱隊(duì)，若無(wú)統(tǒng)一指令，伴隨著相對(duì)或相背的不定朝向，整體隊(duì)伍將混亂無(wú)序?！毖芯咳藛T以此比擬量子世界。每一原子處于不同自旋態(tài)中，由于發(fā)生量子態(tài)坍塌時(shí)表現(xiàn)隨機(jī)且彼此互不關(guān)聯(lián)，所導(dǎo)致的隨機(jī)漲落噪聲無(wú)法用經(jīng)典實(shí)驗(yàn)方法予以消除，由此形成了基本物理精密測(cè)量的“天花板”，測(cè)量的靈敏度因此受限。

復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系精密測(cè)量物理與量子光學(xué)團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)便在于打破這一限制。“要把這群‘學(xué)生’安全、有序地帶到目的地，可巧借一根繩子讓他們一齊拉住，以限定步調(diào)大小和活動(dòng)范圍?！睉?yīng)用于量子場(chǎng)景，團(tuán)隊(duì)采用同一束光來(lái)和所有原子發(fā)生相互作用，原子有如“學(xué)生”，光則起到“繩子”的“中介”作用，該探測(cè)光和原子作用之后攜帶了原子信息，也即光和原子產(chǎn)生了糾纏，原子間的隨機(jī)漲落都被“同步”到這束光的漲落上了，從而實(shí)現(xiàn)原子間的糾纏以及量子噪聲的壓縮。

為了進(jìn)一步提高自旋壓縮度，團(tuán)隊(duì)采用了丹麥奧胡斯大學(xué)理論物理學(xué)家Klaus M?lmer教授前期發(fā)展的“過(guò)去量子態(tài)”的理論方案。相比于傳統(tǒng)測(cè)量方法，團(tuán)隊(duì)又增設(shè)一次后續(xù)脈沖測(cè)量，形成融前期預(yù)測(cè)、中期測(cè)量、后期回溯于一體的“三明治”式三脈沖測(cè)量序列，進(jìn)一步壓縮量子噪聲，達(dá)到迄今為止原子自旋壓縮態(tài)所能獲得的最好角分辨力。

“我們所采用的預(yù)測(cè)和回溯的量子測(cè)量技術(shù)，今后的應(yīng)用體系將不局限于原子，還可以是光機(jī)械體系、離子體系、固態(tài)量子體系等，在量子態(tài)參數(shù)估計(jì)、量子傳感中都有用武之地?！闭劶把芯砍晒膽?yīng)用前景，研究人員解釋道。這也是“突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限”精密測(cè)量走向?qū)嶋H應(yīng)用的重要一步。

原子體系規(guī)模的選取亦對(duì)測(cè)量的精密性影響重大，壓縮更多的原子意味著突破更好的標(biāo)準(zhǔn)量子極限，這成為科研人員前赴后繼的研究方向。此前，丹麥的科研人員在2015年實(shí)現(xiàn)的熱原子實(shí)驗(yàn)中成功將原子數(shù)提高到10⁸，而本實(shí)驗(yàn)將原子數(shù)量級(jí)推進(jìn)至10¹¹，實(shí)現(xiàn)迄今為止含原子數(shù)最多的自旋壓縮態(tài)，刷新歷史紀(jì)錄。

“如同學(xué)生排隊(duì)問(wèn)題一樣，人數(shù)越多，越難保證步調(diào)一致性?！睂?duì)于大原子數(shù)、大尺寸的系統(tǒng)，固然測(cè)量精度更高，但其量子漲落也更容易被經(jīng)典噪聲所淹沒，從而不易測(cè)量得到，這一度成為團(tuán)隊(duì)研究進(jìn)程中最為棘手的問(wèn)題。

“由于我們面對(duì)的量子測(cè)量對(duì)象的體積和原子數(shù)比前人的大1000倍以上，沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，各種技術(shù)困難層出不窮，只能摸著石頭過(guò)河?！毖芯咳藛T坦言，實(shí)驗(yàn)過(guò)程充滿挑戰(zhàn)性。由于大原子系統(tǒng)對(duì)外界雜散電磁場(chǎng)非常敏感，電磁場(chǎng)環(huán)境稍有不均勻之處，便會(huì)使原子的“糾纏”大打折扣。

為盡可能扣除額外的噪聲擾動(dòng)，研究人員對(duì)激光器的頻率、功率，原子氣室的溫度等都進(jìn)行了嚴(yán)格的穩(wěn)定控制，并抑制了光探測(cè)器上的電噪聲，屏蔽保護(hù)了所有信號(hào)線，多次更換不同尺寸的原子池。就算在一切皆已萬(wàn)般仔細(xì)的前提下，實(shí)驗(yàn)室的電磁場(chǎng)環(huán)境經(jīng)常發(fā)生無(wú)規(guī)則波動(dòng)。一次，團(tuán)隊(duì)成員偶然發(fā)現(xiàn)凌晨的實(shí)驗(yàn)室各種電磁噪聲、振動(dòng)噪聲比較少，這讓他們欣喜不已，于是深夜加班加點(diǎn)成為課題組的常態(tài)。

自2011年開始理論籌劃，2013年3月開始正式搭建，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期不懈的努力，課題組終于在2018年底成功地將各類經(jīng)典噪聲基本排查并充分抑制。到2020年發(fā)表第一個(gè)系列的實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，該課題已走過(guò)九年時(shí)光?；仡櫲?，研究人員深感值得：“盡管我們對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行了匠心設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)仍長(zhǎng)期停滯不前，這考驗(yàn)著大家的耐心和恒心，但不斷的嘗試和失敗，也加深了對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和物理過(guò)程的理解，使我們發(fā)現(xiàn)了新的物理現(xiàn)象。”

九年磨一劍，出鞘即見利刃。冷原子自旋壓縮實(shí)驗(yàn)的開拓者之一、MIT教授Vuleti?評(píng)論道：“2012年你們和我說(shuō)要做這個(gè)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，我真的沒有想到這個(gè)實(shí)驗(yàn)有一天會(huì)成功。這比我的冷原子實(shí)驗(yàn)的自旋壓縮難多了，我的實(shí)驗(yàn)只有幾千個(gè)原子，你們卻有一千億個(gè)原子，別提量子噪聲的壓縮，觀測(cè)到原子的量子噪聲都是及其困難的事！”項(xiàng)目合作者、美國(guó)威廉瑪麗學(xué)院教授Irina Novikova在2013年訪問(wèn)復(fù)旦大學(xué)時(shí)參與了本實(shí)驗(yàn)的最初搭建并評(píng)價(jià)道：“這是個(gè)英雄實(shí)驗(yàn)?！?/strong>

據(jù)悉，該項(xiàng)目由復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系精密測(cè)量物理與量子光學(xué)團(tuán)隊(duì)與英國(guó)牛津大學(xué)、丹麥奧胡斯大學(xué)、美國(guó)威廉瑪麗學(xué)院、復(fù)旦大學(xué)現(xiàn)代物理研究所相關(guān)團(tuán)隊(duì)合作完成。復(fù)旦大學(xué)物理學(xué)系博士生包晗為論文第一作者，是本研究相關(guān)實(shí)驗(yàn)的主力，還負(fù)責(zé)工作中的量子測(cè)量理論的推導(dǎo)。團(tuán)隊(duì)還致謝俄羅斯科學(xué)家Mikhail Balabas在特殊原子氣室方面的幫助，以及美國(guó)麻省理工學(xué)院教授Vladan Vuleti?多年來(lái)富有啟發(fā)的討論。

該項(xiàng)目受到國(guó)家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委“精密測(cè)量物理”重大研究計(jì)劃、復(fù)旦大學(xué)應(yīng)用表面物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、復(fù)旦大學(xué)微納光子結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等的資助。

注：本文轉(zhuǎn)載自墨子沙龍。