中國科學技術大學與合肥國家實驗室研究員夏添、盧征天等，利用激光冷原子方法制備成基于自旋的薛定諤貓態，其壽命達到分鐘量級，有助于提升自旋進動相位的測量靈敏度。近日，相關研究成果以Minutes-scale Schr?dinger-cat state of spin-5/2 atoms為題，發表在《自然-光子學》（Nature Photonics）上。
在量子精密測量中，自旋進動是測量磁場、慣性等較多物理現象的探針，也是用于探索超越標準模型的新物理。在做自旋進動測量時，高自旋薛定諤貓態具有優勢。這是由于高自旋量子數放大了進動頻率信號以及貓態對一些環境干擾因素不敏感，從而壓制了測量噪聲。實驗中應用貓態面臨兩個技術挑戰，一是如何在高維量子空間中實現幺正變換的高效操控，二是需要保持足夠長的量子相干時間。
該研究實現了具有超長相干時間的薛定諤貓態。研究利用光晶格囚禁自旋為5/2的鐿-173原子，通過控制激光脈沖對原子誘導非線性光頻移，制備出由自旋投影為+5/2與-5/2兩個態組成的疊加態。由于這兩個態的磁量子數相距最遠，因此它們的疊加態被稱為薛定諤貓態。這種貓態具有增強的磁場靈敏性，并在光晶格中感受到相同的光頻移，處于“無消相干子空間”中，從而對光晶格的強度噪聲和光斑形貌變化具有天然的免疫性。實驗結果表明，該貓態的相干時間突破了20分鐘。通過拉姆齊干涉測量法，研究證實了接近海森堡極限的相位測量靈敏度。
這一長壽命薛定諤貓態有望為原子磁力計、量子信息糾錯及探索新物理等開辟新途徑。
研究工作得到國家自然科學基金委員會和科學技術部的支持。
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鐿-173原子自旋在一維光晶格中形成薛定諤貓態。左邊兩個球體分別代表自旋朝上、朝下的兩個本征態，它們疊加形成由右邊球體代表的薛定諤貓態。
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