自旋-机械量子系统实现中的若干关键问题的实验研究

Macroscopic quantum effects is currently a research hotspot in quantum science. Different physical systems have been proposed and explored for this purpose. Spin-mechanics is believed to be one of most promising system for realization macroscopic quantum states and has attracted extensive experimental research. The key in realizing spin-mechanics are strong coupling between spin and mechanical degree of freedom, the initialization of spin states and realizing quantum limited measurement of the motional states, which, however, are still out of reach based on currently existed methods. This program will focus on the new methods and techniques that aim to overcome these challenges, which includes: (1), By exploring new mechanism to increase the interaction between spins and mechanical element so that strong coupling regime can be reach; (2), realizing spin states initialization via optical pumping; (3), Realize efficient motion sensing via nuclear spin. This research would look for experimental breakthroughs, which would provide experimental key foundation for further exploring macroscopic quantum effects.

宏观量子效应是当前量子科学研究的核心与热点课题，不同的物理系统也在理论上被提出来并加以实验研究。而自旋-机械系统被认为是理想的研究宏观量子效应的新物理体系之一，国际上多个研究组均已开展初期的理论和实验工作。利用自旋-机械系统研究宏观量子效应的关键是实现自旋自由度与机械自由度的强耦合，自旋态的初态制备以及机械系统运动态的有效读出，而目前已有的实验技术手段尚无法实现。本课题拟对以上关键问题开展实验研究，其中包括1）， 如何通过引入新的自旋-机械作用机理，提高原子核自旋与机械系统的相互作用强度，从而达到强耦合条件；2），如何借助特殊的光学泵浦过程，实现对自旋量子态的有效极化；3）， 如何利用单核自旋实现的机械系统运动态的有效探测。该项目力求在实验上取得突破，从而为进一步利用自旋-机械系统开展宏观量子效应研究打下关键技术基础。

自旋机械系统是近年来理论上提出来的宏观量子系统，其核心是把自旋量子态与经典的机械系统，如力学谐振子相互耦合。特别的悬浮微纳力学谐振子，在超高真空下具有超低的力学耗散，因此成为了构成自旋-机械系统中的机械单元的理想对象，我们的研究基于过去的金刚石NV色心系统，着重开展了悬浮力学系统的关键技术研究，我们采用了抗磁悬浮技术这一悬浮力学研究领域的新技术，实现了高真空，低温条件下的技术突破，相关技术指标达到了国际领先水平，并且进一步实现了NV色心自旋与抗磁悬浮系统的相互耦合，并开展了量子精密测量的研究。量子精密测量通过利用量子相干特性理论上可以实现超越经典测量技术的更高精度。特别的我们对三个方向开展了研究，包括大气条件下实现抗磁悬浮系统的拓扑操控，在高真空条件下实现了量子波函数塌缩模型的精确检验，以及在低温高真空条件下实现了目前最好的力学耗散指标，特别是该系统展现出了潜在的实现加速度和力信号精密测量的潜力。