突破标准量子极限的双数态的制备与研究

We create twin-Fock state (a many-particle entangled state) using Bose-Einstein condensate (BEC) of Rb87. A Twin-Fock state can be used to realize measurements with imprecision below the standard quantum limit. Currently, the only means to create a twin-Fock state with more than 10 atoms is to make use of the spin-exchange collisions in a BEC. Due to the reversible and stochastic nature of spin-exchange collisions, however, the twin-Fock state so created exhibits a huge fluctuation in the total particle number. Therefore, previous experiments had to perform post-selection (i.e. to discard more than 90% of the data) in order to demonstrate number squeezing below the standard quantum limit. Recently, by manipulating the BEC using microwave induced AC-Stark shift, we have deterministically generated twin-Fock states with about 10000 atoms. We have achieved a number squeezing of 10.5 dB beyond standard quantum limit without doing post-selection and without subtracting detection noise. This squeezing factor is higher than the best result of 9.3 dB recorded by other group with post-selection. Furthermore, the lifetime of the number-squeezing factor of our sample (above 10 s) is an order of magnitude longer than those of other similar experiments. There are two main aims for the current proposal. The first is to study the mechanisms and issues which limit the squeezing factor of our samples. We aim to achieve a number squeezing factor above 14 dB. The second aim is to measure physical quantities of interest using the twin-Fock states we created.

本研究项目利用铷87原子的玻色-爱因斯坦凝聚体制备称为双数态的量子多体纠缠态。双数态可以用于实现突破标准量子极限的测量。目前国际上产生大于十个粒子的双数态的方法都是利用凝聚体中原子间的自旋交换碰撞。但是由于该碰撞具有可逆性和随机性，产生的双数态的总粒子数涨落很大。所以以往的实验都需要对其结果进行后选择（即丢弃超过90%的数据）才能验证所产生的双数态能够突破标准量子极限。近期，我们引入微波调控的方法首次确定性地制备了具有约一万个原子的双数态。在不做任何后选择也不扣除探测噪声的情况下，我们所得到的双数态能够实现超越标准量子极限10.5dB的噪声压缩，比国际上同类研究在做后选择后的最好结果9.3dB还高。我们希望获得本项目的支持来进一步研究和解决限制我们目前压缩比的物理与问题，以实现超过14dB的噪声压缩。同时我们计划利用所制备的双数态对一些实际物理量进行测量。

本项目聚焦超越标准量子极限的精密测量物理研究。核心研究目标是在不扣除探测噪声的情况下实现14dB的数压缩系数的双数态纠缠态，以及利用双数态进行有意义的物理量或物理定律的精密测量。主要研究内容包括：1、搭建底部平坦的光阱，实现更为绝热、损耗更小的双数态制备；2、利用计算方法消除成像系统中干涉条纹对原子数测量精度的影响，实现高达12dB的数态压缩；3、制备其它能突破标准量子极限的量子态； 4、利用双数态进行有意义的物理量或物理定律的精密测量。前两项技术研究均已执行完毕，但是未达到预期效果。项目后期通过发展新的研究方案，顺利完成项目预设目标。取得的最主要研究成果包括：1、利用操控量子相变确定性地制备了一万个原子的双数态样本，数压缩系数达到了10.7±0.6dB。这种新颖的纠缠态制备方式引起了广泛的讨论，预计将对这方面的研究有较为深远的影（工作发表于Science）；2、制备了超过一万个原子的spin-1平衡Dicke态，实现了国际上首个超越3模标准量子极限的旋转角测量（工作发表于PNAS）；3、 将深度强化学习计算运用到优化多粒子量子系统的纠缠态制备上，成功获得相干性、压缩度更高的双数态和spin-1 Dicke态。其中，Dicke的数压缩系数达到了（13.0±0.021）dB，相干性达到了0.998±0.021 （理想值为1）。这一工作的成功预计将激发在复杂物理系统中使用机器学习操控的热情（工作发表于PRL）；4、利用双数态测量原子磁偶极弛逸损耗，并发现了原子磁偶极损耗与原子间范德瓦尔斯长程相互作用之间的普适而基础的物理定律，该发现有较高的基础科学价值（文章在审稿当中）。本项目已发表了论文19篇，其中包括1篇Science，1篇PNAS，两篇PRL。利用操控量子相变制备纠缠态的工作入选（科技部）“2017年中国十大科学进展”。