量子壓縮態(tài)在量子精密測(cè)量、量子計(jì)算以及量子通信等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值。目前，制備各種“物質(zhì)形態(tài)”的壓縮態(tài)已成為量子光學(xué)與量子信息研究的前沿焦點(diǎn)。然而，迄今為止，絕大多數(shù)理論與實(shí)驗(yàn)研究都圍繞單一物質(zhì)形態(tài)的壓縮態(tài)制備展開(kāi)，鮮有探索涉及多種物質(zhì)形態(tài)壓縮態(tài)的同時(shí)產(chǎn)生，如何在同一個(gè)實(shí)驗(yàn)中同時(shí)制備多種物質(zhì)形態(tài)的壓縮態(tài)是一個(gè)充滿(mǎn)挑戰(zhàn)且極為復(fù)雜的課題。

本研究提出了一種十分創(chuàng)新的方法，通過(guò)利用一種具有高度對(duì)稱(chēng)性的光與原子相互作用哈密頓量，在同一原子系綜中（包含有千億級(jí)別銣原子）同時(shí)實(shí)現(xiàn)激光光場(chǎng)與原子自旋的壓縮。為了構(gòu)造這種特殊形式的哈密頓量，研究團(tuán)隊(duì)采用了一種獨(dú)特的閃頻技術(shù)，即將長(zhǎng)脈沖探測(cè)激光劈裂成許許多多個(gè)在時(shí)域上等間距的短脈沖激光信號(hào)。通過(guò)這樣操作，可激發(fā)出眾多頻率不同的Stokes與反Stokes光子，利用所激發(fā)出的Stokes光子作為媒介橋接不同的銣原子，從而形成原子間的量子糾纏，產(chǎn)生自旋壓縮；與此同時(shí)，拉曼過(guò)程中所形成的光與原子間的量子糾纏，在原子集體輻射效應(yīng)的作用下可轉(zhuǎn)化成為光子間的糾纏，由此實(shí)現(xiàn)光壓縮。上述兩個(gè)量子過(guò)程是并行且等概率的，因此能夠同時(shí)形成光與原子的壓縮（如圖1所示）。

圖1. （a）光和原子同時(shí)壓縮實(shí)驗(yàn)設(shè)置示意圖；

（b）上：光場(chǎng)脈沖設(shè)置示意圖；下：實(shí)現(xiàn)光和原子同時(shí)壓縮的原理示意圖；

（c）光和原子同時(shí)壓縮的熱庫(kù)物理圖像解釋示意圖。

圖2. (a) 原子自旋壓縮度與脈沖占空比的關(guān)系圖（占空比是指單個(gè)小脈沖長(zhǎng)度與頻閃周期的比值）；

(b) 光場(chǎng)壓縮度與占空比關(guān)系圖，上紫色線(xiàn)：表示探測(cè)光光強(qiáng)與左圖中的相同，下綠色線(xiàn)：表示單獨(dú)優(yōu)化探測(cè)光光強(qiáng)得到的最佳光壓縮度。

光和原子自旋壓縮的壓縮程度通常用壓縮度來(lái)衡量，壓縮度小于1表示存在著自旋壓縮。在圖2中，我們展示了實(shí)驗(yàn)結(jié)果：當(dāng)占空比d=0.08時(shí)，原子自旋壓縮的壓縮度約為0.61dB，此時(shí)光的壓縮度約為0.65dB。這表明我們?cè)趯?shí)驗(yàn)上成功實(shí)現(xiàn)了光和原子的同時(shí)壓縮。我們所產(chǎn)生的光和原子同時(shí)壓縮有著廣闊的應(yīng)用前景，例如，可提高量子精密測(cè)量的測(cè)量精度、進(jìn)一步增強(qiáng)原子自旋壓縮的壓縮度等，甚至在構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的糾纏時(shí)也可能具有一定的應(yīng)用潛力。在熱原子系綜中（本實(shí)驗(yàn)中原子體系的溫度約為53.5攝氏度）制備非經(jīng)典態(tài)存在著很大的困難，原子的自發(fā)輻射和熱運(yùn)動(dòng)碰撞等隨機(jī)過(guò)程都可能引入額外的噪聲，從而降低體系的壓縮度。這項(xiàng)研究歷時(shí)4年，經(jīng)過(guò)不懈努力，我們才首次在實(shí)驗(yàn)中觀(guān)察到了光和原子同時(shí)壓縮的現(xiàn)象。這一成果是繼2020年在頂級(jí)期刊《Nature》上發(fā)表的研究工作 “Spin squeezing of 10^11 atoms by prediction and retrodiction measurements”（https://doi.org/10.1038/s41586-020-2243-7，王明鋒副教授也參與了該研究）之后，在熱原子研究領(lǐng)域的又一次重要的突破。

相關(guān)研究結(jié)果以題“Concurrent Spin Squeezing and Light Squeezing in an Atomic Ensemble”發(fā)表于近期的《Physical Review Letters》，我校數(shù)理學(xué)院王明鋒副教授和山西大學(xué)肖艷紅教授為論文共同通訊作者，博士生金沈超為論文的第一作者，山西大學(xué)賈鎖堂教授、肖連團(tuán)教授為該工作提供了重要指導(dǎo)，山西大學(xué)光電研究所申恒教授參與了研究。該工作得到了科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、量子光學(xué)與光量子器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以及省部共建極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心的支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.173604