光学腔内的原子通过与光子“玩接球游戏”来交换动量态。当原子从施加的激光中吸收光子时，整个原子云而不是单个原子反冲。资料来源:Steven Burrows/Rey, Thompson, and Holland group编辑
JILA和NIST的研究人员已经开发出一种技术，通过使用腔系统内的动量交换相互作用来减轻量子测量中的原子反冲。这一突破将大大提高量子传感器的精度，并使新的量子物理学发现成为可能。
由于原子反冲，精确测量单个原子的能量状态一直是物理学家面临的历史性挑战。当原子与光子相互作用时，原子会向相反的方向“反冲”，这使得精确测量原子的位置和动量变得困难。这种反冲对量子传感有很大的影响，量子传感可以探测参数的微小变化，例如，利用引力波的变化来确定地球的形状，甚至探测暗物质。
JILA和NIST研究员Ana Maria Rey和James Thompson, JILA研究员Murray Holland和他们的团队提出了一种克服原子反冲的方法，通过展示一种称为动量交换相互作用的新型原子相互作用，原子通过交换相应的光子来交换动量。这项研究的细节发表在《科学》杂志的一篇新论文中。
研究人员利用一个由镜子组成的封闭空间，观察到原子在密闭空间内交换能量状态，从而抑制了原子后坐力。这个过程产生了能量的集体吸收，并将反冲分散到整个粒子群中。
光学腔内的原子通过与光子“玩接球游戏”来交换动量态。当原子从施加的激光中吸收光子时，整个原子云而不是单个原子反冲。图片来源:Steven Burrows/Holland, Rey和Thompson小组
有了这些结果，其他研究人员可以在广泛的实验中设计空腔来抑制反冲和其他外部效应，这可以帮助物理学家更好地理解复杂系统或发现量子物理学的新方面。改进的腔体设计还可以实现更精确的超导模拟，例如在玻色-爱因斯坦-冷凝-巴丁-库珀-施里夫(BEC-BCS)交叉或高能物理系统的情况下。
首次观察到动量交换相互作用诱导原子动量态之间的单轴扭转(OAT)动力学，这是量子纠缠的一个方面。当每个量子态被扭曲并连接到另一个粒子时，OAT就像一个纠缠不同分子的量子编织。
以前，OAT只出现在原子内部状态，但现在，有了这些新的结果，人们认为由动量交换诱导的OAT可以帮助减少来自多个原子的量子噪声。纠缠动量态也可以改善量子传感器的一些物理测量，比如引力波。
利用密度光栅
在这项新研究中，受到汤普森和他的团队先前研究的启发，研究人员检查了量子叠加的影响，量子叠加允许光子或电子等粒子同时存在于多个量子态。
“在这个[新]项目中，原子都有相同的自旋标签;唯一的区别是每个原子都处于两个动量态的叠加状态，”研究生、第一作者罗成义解释说。
研究人员发现，他们可以通过迫使原子交换光子及其相关能量来更好地控制原子反冲。类似于躲避球游戏，一个原子可能会“抛出”一个“躲避球”(一个光子)，并朝相反的方向反冲。这个“躲避球”可能会被第二个原子抓住，这可能会对第二个原子造成同样的反冲。这抵消了两个原子所经历的两次反冲，并在整个空腔系统中平均它们。
当两个原子交换它们不同的光子能量时，叠加产生的波包(原子的波分布)形成了一个动量图，称为密度光栅，看起来像一个细齿梳子。
罗补充说。“密度光栅的形成表明[原子内]的两个动量态彼此是‘相干的’，这样它们就可以[相互干扰]。”研究人员发现，原子之间的光子交换导致两个原子的波包结合，因此它们不再是单独的测量。
研究人员可以通过探索密度光栅与光腔之间的相互作用来诱导动量交换。由于原子之间交换能量，吸收光子后产生的后坐力会分散到整个原子群中，而不是分散到单个粒子中。
抑制多普勒频移
使用这种新的控制方法，研究人员发现他们还可以使用这种反冲阻尼系统来帮助减轻另一个测量问题:多普勒频移。
多普勒频移是经典物理学中的一种现象，它解释了为什么汽笛或火车喇叭声在经过听众时音调会发生变化，或者为什么某些恒星在夜空图像中呈现红色或蓝色——它是当声源和观测者彼此靠近(或远离)时波的频率发生变化。在量子物理学中，多普勒频移描述了粒子由于相对运动而产生的能量变化。
对于像罗这样的研究人员来说，在获得精确测量时，多普勒频移可能是一个需要克服的挑战。“当吸收光子时，原子反冲将导致光子频率的多普勒频移，当你谈论精密光谱学时，这是一个大问题，”他解释说。通过模拟他们的新方法，研究人员发现它可以克服多普勒频移引起的测量偏差。
纠缠动量交换
研究人员还发现，这些原子之间的动量交换可以用作一种量子纠缠。正如荷兰小组的研究生约翰·威尔逊(John Wilson)所阐述的那样:“当一个原子下落时，它的运动使空腔频率发生摆动。反过来，这又鼓励其他原子集体感受到反馈机制，并推动它们通过共同的摆动将它们的运动联系起来。”
为了进一步测试这种“纠缠”，研究人员在原子的动量状态之间创造了更大的分离，然后诱导动量交换。研究人员发现，原子继续表现得好像它们是连接在一起的。罗补充说:“这表明两种动量状态确实是相互振荡的，就像被弹簧连接起来一样。”
展望未来，研究人员计划进一步探索这种新形式的量子纠缠，希望更好地理解如何利用它来改进各种类型的量子器件。
参考文献:“Bragg原子干涉仪中的动量交换相互作用抑制多普勒减相”，作者:罗成义，张浩清，Vanessa P. W. Koh, John D. Wilson，朱安军，Murray J. Holland, Ana Maria Rey和James K. Thompson, 2024年5月2日，Science。DOI: 10.1126 / science.adi1393
这项研究得到了美国能源部、科学办公室、国家量子信息科学研究中心、量子系统加速器的支持。
