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原子自旋压缩在量子精密测量中的应用研究进展

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激光与光电子学进展 2024年第9期61卷 13-24页

作者：王恩龙王国超朱凌晓卞进田王玺孔辉国防科技大学脉冲功率激光技术国家重点实验室先进激光技术安徽省实验室国防科技大学智能科学学院

原子自旋压缩利用中性原子系综和光场的相互作用，减小原子自旋分量的不确定度，使得基于压缩的量子精密测量灵敏度能够突破标准量子极限，有望在时间频率计量、重力精密测量、物理学原理验证、引力波和暗物质探索等领域发挥重要作用。... 详细信息

原子自旋压缩利用中性原子系综和光场的相互作用，减小原子自旋分量的不确定度，使得基于压缩的量子精密测量灵敏度能够突破标准量子极限，有望在时间频率计量、重力精密测量、物理学原理验证、引力波和暗物质探索等领域发挥重要作用。阐述了原子自旋压缩的原理和内涵，分析了在中性原子系综内通过光与原子相互作用产生自旋压缩的方法，介绍了原子自旋压缩在量子精密测量领域的研究进展和取得的主要成果，并总结展望了其未来发展的方向。

关键词：量子光学量子精密测量自旋压缩标准量子极限原子钟原子干涉仪

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增强稳态自旋压缩的理论研究

温州大学学报(自然科学版) 2024年

作者：闫智奇王明锋温州大学数理学院

自旋压缩态是实现高精度量子精密测量和量子信息处理的重要量子资源，如何实现原子自旋的稳态压缩是该研究领域的前沿课题之一．目前，稳态自旋压缩的实现方法主要依赖于原子体系的特殊耗散，研究发现，在单纯耗散体系的某些参数区间内... 详细信息

自旋压缩态是实现高精度量子精密测量和量子信息处理的重要量子资源，如何实现原子自旋的稳态压缩是该研究领域的前沿课题之一．目前，稳态自旋压缩的实现方法主要依赖于原子体系的特殊耗散，研究发现，在单纯耗散体系的某些参数区间内，体系所形成的稳态压缩度非常低．为解决这一问题，提出了一种新的解决方案，即通过在耗散相互作用的基础上增加单轴扭曲非线性演化，可进一步提高量子体系的自旋压缩度，且自旋压缩度增幅极限为3 dB；即使存在噪声的情况下，单轴扭曲演化对体系压缩度的增幅量依旧可达到3 dB，这证明本方案对噪声具有很强的鲁棒性．

关键词：耗散单轴扭曲自旋压缩稳态

原子自旋压缩在量子精密测量中的应用研究进展

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激光与光电子学进展 2023年

作者：王恩龙王国超朱凌晓卞进田王玺孔辉先进激光技术安徽省实验室国防科技大学脉冲功率激光技术国家重点实验室国防科技大学智能科学学院

原子自旋压缩利用中性原子系综和光场的相互作用，减小原子自旋分量的不确定度，使得基于压缩的量子精密测量灵敏度能够突破标准量子极限，有望在时间频率计量、重力精密测量、物理学原理验证、引力波和暗物质探索等领域发挥重要作用。本文阐述了原子自旋压缩的原理和内涵，分析了在中性原子系综内通过光与原子相互作用产生自旋压缩的方法，介绍了原子自旋压缩在量子精密测量领域的研究进展和取得的主要成果，并总结展望了其未来发展的方向。

关键词：量子光学量子精密测量自旋压缩标准量子极限原子钟原子干涉仪

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暗共振原子的自旋压缩效应研究

暗共振原子的自旋压缩效应研究

作者：陈俊余华中师范大学

学位级别：硕士

近些年来,有关自旋压缩的研究引起了理论和实验物理学家的广泛关注。自旋压缩对于原子钟、引力波干涉仪等量子测量器件有重要意义,可以有效抑制量子噪声使其突破标准量子极限,提高测量精度。自旋压缩与量子纠缠密切相关,能够产生量子计... 详细信息

近些年来,有关自旋压缩的研究引起了理论和实验物理学家的广泛关注。自旋压缩对于原子钟、引力波干涉仪等量子测量器件有重要意义,可以有效抑制量子噪声使其突破标准量子极限,提高测量精度。自旋压缩与量子纠缠密切相关,能够产生量子计算机所需的多体纠缠态,自旋压缩的有关研究对于量子信息有着重要的研究价值。因此自旋压缩已经成为量子计量和量子信息等领域的研究热点。人们经常通过原子与场相互作用来获得压缩态。通常情况下,当系统接近共振或完全共振时,由于自发辐射的影响使得可能产生的原子自旋压缩被破坏。人们发现当系统接近暗共振时,原子布居几乎都捕获在暗态,基本没有自发辐射出现。在这种情况下,色散与吸收的比值远远比大失谐相互作用情形更大,此时系统具有非常强的非线性。暗共振系统的这两个优点可能是产生压缩的最佳条件。本文的工作就是基于暗共振系统获得自旋压缩效应。我们考虑的是一个Λ型三能级原子系综,该原子系综由N个独立的原子组成。在这个系统中,两个经典场分别与Λ型三能级原子的两个偶极跃迁相耦合发生近共振相互作用,此时原子主要处在两个基态的叠加态,对经典场和其他场将会产生非常强的非线性。与此同时,两个腔场则与Λ型原子的同一个偶极允许的跃迁相耦合,且两个腔与原子之间远离共振,取反对称失谐。根据缀饰态方法以及选择合适的旋转框架后,我们能够从光场的自由度中分离出双模自旋压缩算符,这意味着近共振系统是可以用来制备双模压缩态的。最后我们还给出了理想条件下的稳态双模自旋压缩接近50%。由于原子被捕获在基态的叠加态而很少被激发,所以我们基于近共振条件下的方案免于自发辐射。

关键词：暗共振自旋压缩缀饰态 Λ型三能级原子

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暗共振原子系综的耗散诱导自旋压缩研究

暗共振原子系综的耗散诱导自旋压缩研究

作者：冯安莹华中师范大学

学位级别：硕士

自旋压缩是量子光场与原子系综相互作用过程中产生的非经典效应之一,是近年来量子光学领域研究的一个热点。自旋压缩通过光场与原子的相互作用过程,减小了原子自旋分量的不确定度,使基于压缩的量子精密测量灵敏度能够突破标准量子极限,... 详细信息

自旋压缩是量子光场与原子系综相互作用过程中产生的非经典效应之一,是近年来量子光学领域研究的一个热点。自旋压缩通过光场与原子的相互作用过程,减小了原子自旋分量的不确定度,使基于压缩的量子精密测量灵敏度能够突破标准量子极限,在量子计算、量子信息处理以及高精度测量等方面有着重要的应用。近年来,人们发现稳态时的自旋压缩是由耗散机制造成的,这种机制必须要求大失谐条件。通常,如果系统接近共振或完全共振,由于自发辐射的影响,可能存在的原子自旋压缩被破坏。从目前的研究状况看,似乎共振作用与自旋压缩是不相容的。我们的工作表明,暗共振与自旋压缩可以相容。研究证明,当系统发生暗共振时,原子不受激发,没有吸收,没有自发辐射,基态之间具有大相干。本文工作的宗旨是在暗共振机制植入玻戈留波夫模式的耗散机制,进而产生自旋压缩。我们考虑一个四能级原子系综,原子的跃迁为双Λ型,其中一个Λ子系统由经典场耦合构成暗共振,另一个Λ子系统由经典场和真空腔场构成双通道拉曼跃迁(每个基态各耦合一个经典场和一个腔场)。物理机制是:暗共振使原子囚禁在基态的相干叠加态,拉曼跃迁建立基态自旋的玻戈留波夫模式耗散。具体的自旋模式是亮态与暗态构成的玻色模式,耗散模是两个真空场结合的相对模式。这样的相互作用模式不涉及原子激发态,避免了自发辐射引起的噪声。研究的方法是:将暗共振原子处理为缀饰原子,原子的每一个能级分裂为三个缀饰态,其中一个正是暗态,与另两个非暗态构成双模自旋。双模自旋与腔场的耦合可以分离为两个部分,其中一部分只涉及基态而不涉及激发态,另一部分则涉及激发态。这两部分因原子囚禁于暗态而相互独立,从而基态自旋玻戈留波夫模式的耗散不与激发态发生耦合。结果表明,含共振作用的原子系综可以获得几乎理想的自旋压缩,同时避免激发态的自发辐射噪声。这项工作为自旋压缩制备提供了一种新的选择。

关键词：暗共振自旋压缩缀饰态双Λ型四能级原子系综

光与物质相互作用系统中的量子Fisher信息和自旋压缩

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物理学报 2014年第17期63卷 47-53页

作者：常锋王晓茜盖永杰严冬宋立军长春理工大学理学院长春130022 长春大学理学院长春130022

Fisher信息是估计理论中的重要概念,最近发现与量子信息中的纠缠判据具有密切联系.非旋波近似条件下,Dicke模型经典相空间表现为混沌动力学特征.本文详细考察了Dicke模型描述的光与物质相互作用系统中量子Fisher信息和自旋压缩动力学特... 详细信息

Fisher信息是估计理论中的重要概念,最近发现与量子信息中的纠缠判据具有密切联系.非旋波近似条件下,Dicke模型经典相空间表现为混沌动力学特征.本文详细考察了Dicke模型描述的光与物质相互作用系统中量子Fisher信息和自旋压缩动力学特性.结果表明:在短时瞬态情况下,无论初态处于规则区域还是混沌区域系统均表现为纠缠性质;但在长时稳态情况下,初态处于规则区域时系统纠缠消失,而初态处于混沌区域时系统则一直存在纠缠.通过与系统自旋压缩动力学性质相比较,发现量子Fisher信息可以更有效地刻画量子混沌.进一步考察初态处于规则和混沌区域时系统密度矩阵和纯度的动力学演化特性,发现混沌导致系统退相干现象发生,说明量子Fisher信息对混沌更敏感.

关键词：量子Fisher信息自旋压缩量子混沌退相干

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平面自旋压缩态的产生与原子干涉的机理

物理学报 2015年第16期64卷 24-31页

作者：黄馨瑶项玉孙风潇何琼毅龚旗煌北京大学物理学院人工微结构和介观物理国家重点实验室北京100871 量子物质科学协同创新中心北京100871

在玻色-爱因斯坦凝聚体中实现自旋压缩和量子纠缠,对于提高原子干涉测量相位灵敏度和原子钟精度有着非常重要的意义.基于一种新的平面自旋分量的不确定性关系,介绍了如何利用两分量玻色-爱因斯坦凝聚系统中原子间相互作用提供的非线性... 详细信息

在玻色-爱因斯坦凝聚体中实现自旋压缩和量子纠缠,对于提高原子干涉测量相位灵敏度和原子钟精度有着非常重要的意义.基于一种新的平面自旋分量的不确定性关系,介绍了如何利用两分量玻色-爱因斯坦凝聚系统中原子间相互作用提供的非线性效应和原子内部能级间线性耦合,实现量子平面自旋压缩(挤压)和模式纠缠.描述了一项关于平面压缩态的理论工作,该工作利用哈密顿量的精确对角化求解系统基态,优化非线性作用和线性耦合强度比值,使得包含平均自旋方向在内的两个正交自旋分量的不确定度同时压缩,因此在平面上所有相位角度的涨落都受到压制,而在与该平面垂直的第三个自旋分量方向反压缩.利用传统自旋压缩判定纠缠,只能判断多个不可分辨的原子处于纠缠态,而平面自旋压缩可以检测两个可区分模式(比如,原子内态)间的纠缠,从而在不同模式间进行量子信息处理.同时,为实现超越标准量子极限的原子干涉相位精密测量,传统方式是利用单个自旋分量压缩,但需要对待测相位角度有很好的估计,或者可以进行多次测量以逐渐逼近可获得的最大压缩极限,这就要求量子态可以被精确的重复制备.而利用平面自旋压缩,对任意未知相位角度只需要测量两个垂直自旋分量就可以实现高的相位测量灵敏度.

关键词：玻色-爱因斯坦凝聚自旋压缩量子纠缠原子干涉

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两分量玻色-爱因斯坦凝聚系统的自旋压缩

物理学报 2009年第6期58卷 3679-3684页

作者：严冬宋立军陈殿伟长春大学理学院长春130022 吉林化工学院理学院吉林132022

在周期性脉冲撞击的两分量玻色-爱因斯坦凝聚系统中研究了自旋压缩动力学性质,结果表明:原子自旋压缩动力学能够揭示相空间的混沌和规则结构,即当初始相干态处在混沌区域时,自旋压缩在很短时间后消失,而当初始相干态处在规则区域时,自... 详细信息

在周期性脉冲撞击的两分量玻色-爱因斯坦凝聚系统中研究了自旋压缩动力学性质,结果表明:原子自旋压缩动力学能够揭示相空间的混沌和规则结构,即当初始相干态处在混沌区域时,自旋压缩在很短时间后消失,而当初始相干态处在规则区域时,自旋压缩则存在很长时间.特别是随着时间的演化,系统的平均自旋方向的分布和摆动也与初态所处的空间结构有着密切的联系.最后,研究了相空间的整体自旋压缩动力学,得到了一种较好的量子-经典对应.

关键词：玻色-爱因斯坦凝聚混沌自旋压缩平均自旋方向

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自旋压缩态及其在原子钟中的应用前景

时间频率学报 2013年第1期36卷 16-27页

作者：杨红萍山西师范大学物理与信息工程学院临汾041004

应用自旋压缩可以克服独立原子系综投影噪声所产生的标准量子极限。简要论述了自旋压缩态的基本概念和特性,并介绍了利用光学谐振腔对87Rb原子系综产生自旋压缩的实验方案,并从理论和技术两方面对实验中所遇到的一些退相干机制进行了讨... 详细信息

应用自旋压缩可以克服独立原子系综投影噪声所产生的标准量子极限。简要论述了自旋压缩态的基本概念和特性,并介绍了利用光学谐振腔对87Rb原子系综产生自旋压缩的实验方案,并从理论和技术两方面对实验中所遇到的一些退相干机制进行了讨论。最后,综述了自旋压缩态在原子钟中的应用前景及需要克服的问题。

关键词：自旋压缩光学腔原子钟