光學腔中超輻射勢的“過山車”上的多能級原子。 該系統可以調整為在黑暗中產生擠壓，在那裡它不會受到過度輻射的影響。 **steven burrows/rey group
雖然原子鐘已經是宇宙中最精確的計時裝置，但物理學家正在努力進一步提高它們的準確性。 一種方法是利用時鐘原子中的自旋擠壓態。
自旋擠壓態是一種糾纏態，在這種狀態下，系統中的粒子協同工作以抵消其固有的量子雜訊。 因此，這些狀態為量子增強計量提供了巨大的機會，因為它們允許更精確的測量。 然而，在所需的光學躍遷中，很難準備和保持幾乎沒有外部雜訊的自旋壓縮狀態。
產生自旋擠壓狀態或擠壓的一種特殊方法是將時鐘原子放入光學腔中，光學腔是一組鏡子，光線可以在其中來回反射多次。 在腔中，原子可以同步它們的光子發射，並發出比任何乙個原子都亮得多的光，這種現象被稱為超輻射。 根據超輻射的使用方式，它可能導致糾纏，或者，它可以破壞所需的量子態。
在JILA和NIST研究人員Ana Maria Rey和James Thompson之前進行的一項研究中，研究人員發現，多能級原子（具有兩個以上的本徵能量狀態）提供了乙個獨特的機會來利用超輻射發射，而不是誘導原子相互抵消並保持黑暗。
現在，在發表在《物理評論快報》和《物理評論A》上的兩篇新文章中，Rey和她的團隊發現了一種方法，不僅可以在空腔中產生暗狀態，而且更重要的是，可以壓縮這些狀態自旋。 他們的發現可能為糾纏時鐘的產生開闢了非凡的機會，這可能會以一種迷人的方式推動量子計量學的前沿。
幾年來，Rey和她的團隊一直在研究通過在腔內創造暗狀態來利用高輻射的可能性。 由於暗態是具有破壞性干涉的通常光發射路徑的獨特配置，因此這些狀態不會發光。 雷伊和她的團隊已經證明，當以某種初始狀態製備的原子被放置在空腔內時，可以達到暗狀態。
以這種方式製備，量子態可以不受超輻射或光發射到腔中的影響。 原子仍然可以在腔外發光，但速度比超輻射慢得多。
Asier Pi Eiro Orioli是前Jila博士後研究員，也是Thompson先前研究的首席研究員，也是最近發表的兩項研究的貢獻者，他發現了一種簡單的方法來理解空腔中暗態的出現，他們稱之為超輻射電位。
“我們可以把超輻射電位看作是原子的過山車，”雷說。 當它們從山上掉下來時，它們會集體發光，但當它們到達山谷時可能會被卡住。 在山谷中，原子形成暗態並停止向空腔發射光。
在他們之前與湯普森的合作中，吉拉的研究人員發現，黑暗狀態至少必須有點糾纏在一起。
我們打算在這兩部新作品中解決的問題是，它們是否可以既黑暗又高度糾纏，“第一作者、前Jila博士後研究員Bhuvanesh Sundar解釋道。 “令人興奮的是，我們不僅發現答案是肯定的，而且這些型別的擠壓狀態準備起來相當簡單。
在這項新研究中，研究人員發現了兩種可能的方法，使原子保持高度糾纏的自旋擠壓狀態。 一種方法是用雷射照射原子，使它們在基態以上激發它們，然後將它們放置在超輻射電位上的特殊點，也稱為鞍點。 在鞍點，研究人員通過關閉雷射讓原子在腔中放鬆，有趣的是，原子重塑了它們的雜訊分布並變得非常緊湊。
鞍點是乙個同時具有零曲率和零坡度的山谷，“雷伊解釋說。 “這些都是特殊的點，因為原子是黑暗的，但處於不穩定的邊緣，所以它們往往會重塑它們的雜訊分布，使它們受到擠壓。
另一種提出的方法涉及將超徑向狀態轉移到暗狀態。 在這裡，研究小組還發現了其他特殊點，其中原子位於乙個特殊的“亮點”點附近 - 不是在過山車的山谷中，而是在零曲率點 - 超輻射和外部雷射之間的相互作用產生自旋擠壓。
聰明的是，在這些高光處產生的自旋擠壓可以轉移到暗狀態，並且通過適當的對齊，我們可以關閉雷射並保留擠壓，“Sundar 補充道。
這種轉移的工作原理是首先將原子驅動到超輻射勢谷，然後使用具有適當偏振（或光振盪方向）的雷射相干地對齊壓縮方向，使壓縮狀態不受超輻射的影響。
將壓縮態轉換為暗態，不僅保留了壓縮態的降噪特性，而且確保了它們在沒有外部雷射驅動的情況下的生存，這是量子計量實際應用的關鍵因素。
雖然該研究發表在《物理評論快報》上，僅使用雷射的一種偏振來誘導自旋擠壓，產生兩種壓縮模式，但《物理評論A**》通過使用雷射的兩種偏振進一步模擬了它，從而產生了四種自旋擠壓模式（每種偏振兩種模式）。
在這兩篇文章中，我們考慮了具有許多內部能級的多能級原子，“Pi Eiro Orioli說，”模擬具有多個內部能級比模擬兩個內部能級更困難，這在文獻中經常研究。 因此，我們開發了一套工具來解決這些多級系統。 我們制定了乙個公式來計算初始狀態產生的糾纏。
這些研究的結果可能對原子鐘產生深遠的影響。 為了通過產生暗糾纏態來克服超輻射的侷限性，物理學家要麼使用原子作為儲存器來儲存糾纏態（允許從這些狀態中檢索資訊），要麼將糾纏態注入時鐘或干涉儀序列中進行量子增強測量。