原子系综中高度自旋压缩态产生的研究

Spin squeezing of atomic ensembles is one of the most active research areas in recent years due to its significant applications in quantum metrology and quantum information processing. By now, several schemes have been proposed. Among them, the approach of quantum nondemolition measurements (QND) has attracted particular attentions, because of its easier realistic implementation. However, limited by the weak coupling between light and atoms, it is quite difficult to generate highly squeezed spin state based on the QND. To solve this problem, this project will launch the research from following three aspects: (1) Find a way to effectively enhance the coupling strength, which, at the same time, can avoid the decoherence of atoms, and thus can enhance the degree of squeezing; (2) enhancing the degree of squeezing via squeezing the inner-state of atoms. Since the squeezing of the inner-state can enhance the degree of spin squeezing, we will try to find an optimal squeezing mechanism to optimize the degree of squeezing; (3) Constructing non-linear interaction. Since the one-axis and the two-axis twisting Hamiltonian can squeeze the spin state more efficiently, to increase the amount of squeezing this project will try to develop a new method to construct a unitary non-linear Hamiltonian based only on the QND interactions.

原子系综的自旋压缩是近年来最为热门的研究领域之一，因其在量子精密测量与量子信息处理方面有着很重要的应用。目前，已有多种压缩方案被提出，其中，非破坏性测量方案因其易于在实验上实现而备受关注。然而，由于受限于光与原子系综之间的相互作用强度，非破坏性测量方案在产生高度自旋压缩态上存在着困难。针对这一问题，本项目将在该领域展开以下三方面的研究：(1)等效的增强光与原子相互作用的研究，旨在增强相互作用的同时能抑制原子退相干，从而达到提高自旋体系压缩度的目的；(2)开发原子内态自由度用以增强体系自旋压缩度的研究，利用原子内态的压缩可贡献于体系压缩度的特点，寻找最佳的内态外态协同压缩机制；(3)非线性演化产生的研究，因非线性的单轴扭曲或双轴扭曲压缩机制有着更高的压缩效率，本研究尝试利用非破坏性测量哈密顿量构建么正演化非线性哈密顿量，从而提高体系的压缩度。

原子系综的自旋压缩是近年来最为热门的研究领域之一，因其在量子精密测量与量子信息处理方面有着很重要的应用。本项目围绕着如何产生高度自旋压缩态这一问题对原子系综的自旋压缩态的产生展开了研究，取得了一系列有特色的成果，主要包括三方面内容：.(1) 利用腔中的单重受激拉曼效应实现原子系综的单轴与双轴压缩. 原子系综自旋压缩态的产生主要有两种方法，即探测投影法和非线性演化法。与探测投影法相比，非线性演化法具备非条件压缩的优点，目前非线性演化法主要通过单轴扭曲和双轴扭曲加以实现。我们提出了一种利用腔中原子和腔模的受激拉曼相互作用实现原子系综的单轴和双轴扭曲压缩。我们发现只需要一束强光即可将原子态制备到高度自旋压缩态，与之前方案相比可极大简化实验实施过程。.(2) 利用多次通过方法实现自由空间中原子系综的双轴扭曲压缩. 在自旋压缩态产生过程中，光与原子间的剩余纠缠极大地降低了原子系综的自旋压缩度。我们提出了一种全光干涉的方法，即通过光场脉冲多次通过同一自由空间原子系综用以擦除原子与光场间的剩余纠缠，实现原子系宗的幺正单轴扭曲压缩，附加适当的磁场即可实现原子系宗的双轴扭曲压缩，可将自旋压缩度推进到海森堡极限。.(3) 利用弱测量增强原子系综的自旋压缩度. 弱测量技术在放大微小物理量方面有着重要的应该。我们研究了如何利用弱测量技术对原子间纠缠量的放大从而增强原子系综的自旋压缩度。通过研究我们发现，在光和原子相互作用比较弱的情况下弱测量技术对自旋压缩度的放大效应明显。适当的选择放大参数，我们亦可将投影探测发转换为单轴甚至是双轴演化，可极大提高原子体系的自旋压缩度。