在腔量子电动力学实验中,研究者探索了关于量子精密测量的背景下的原子和光子之间的相互作用。更具体地说,研究者的目标是在高精细腔中囚禁和纠缠原子,以制备原子自旋压缩态。这种态的具有很大的应用前景,通过抑制其原子投影噪声来提高使用原子钟的所涉及到的传感器的精度。其中涉及到的传感器包括重力仪,重力梯度计,加速度计和陀螺仪。 因为它们具有广泛的应用,所以这些传感器的改进很重要。例如惯性导航系统(INS),石油和矿物勘探,引力波探测和全球定位系统等(GPS)。

自选压缩态的介绍

腔QED系统中的压缩态可以通过集体原子态的QND(Quantum non demolition measurement)测量来制备。铷的钟态可以用自旋来描述,其中F = 1状态表示“自旋向下的状态”,而F = 2状态表示“自旋向上的状态”。 与此同时,可以通过用780nm光探测腔来测量系统的整体“自旋”所处的状态。 因为不能预判光子的信息是来自于哪条路径,故此QND测量是可以导致纠缠的产生。也即意味着无法判断是哪个原子引起腔谐振的频移。

Kasevin Group|关于Cavity QED的几点介绍-量子客

实验装置

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首先,使用磁光阱(MOT)将87Rb原子置于双波长高精细腔内。 然后将原子加载到1560nm光学晶格中。 加载完成后,原子被置于$5{}^2{{\rm{S}}_{1/2}}{\rm{F = }}1$和$5{}^2{{\rm{S}}_{1/2}}{\rm{F = 2}}$超精细基态的叠加或简单地将“基态”和“激发态”置于二能级原子系统也称为原子钟状态。 这是通过用π/ 2微波束辐射原子来完成的。 然后用780nm激光探测腔(使用零差设置)。 这允许我们确定腔的共振频率的变化,其与腔内Rb原子的总角动量成正比。 然而,由于没有获得关于单个原子的信息,原子处于被称为自旋压缩态的纠缠状态。双波长腔允许原子在780nm探测光的强度峰值上相互连接。 因此,原子均匀且最大程度地耦合到探测光。 与现有检测方案(如荧光检测)相比,腔体的均匀耦合使研究者可以在制备自旋压缩态过程中,取得显著的优势。

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光探测

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主激光器是RIO 1560nm ECDL激光器,其被锁定到“碾压腔”以降低噪声。 然后将腔的透射放大并锁定到科学腔。 780 nm探头是通过将稳定的1560 nm光线倍频产生的,通过消除对额外激光的需求简化了设置。 每个原子的腔频移大约为10Hz,需要极好的频率稳定性以实现单原子分辨率

零差设置

限制压缩腔中原子效率的是其自发辐射。 因此,研究者使用零差设置来测量腔谐振,因为其他方案固有地使用更多光子。 路径长度稳定是执行零差测量所必需的。 研究者使用两个10 nW边带,通过腔谐振设置2 MHz,以将路径长度稳定在5μrad/ rtHz的理论极限。

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展望

接下来的步骤是使用双波长腔的均匀配准观察原子序数中的量子化跳跃。 一旦完成,研究者就可以制备出自旋压缩态,压缩方差超过10 dB。从长远来看,研究者希望找到在原子干涉仪实验中实现院子自旋压缩的方法。

原文:Link

编译:量豆豆

校对:Q#

译者注:本文已授权Qtumist(量子客)刊登,仅供读者参考学习。限于水平,错误与不当之处请读者指正。