研究背景
激光冷卻的原子因其多體量子態能夠被精確控制進而成為了強大的量子模擬、計量學和計算的平臺。其中，量子傳感和計量學尤為引人關注，因為它們依賴于工程化原子間的相互作用，以提高量子傳感器的精度，并模擬復雜的量子物質相和難以在實際材料中觀測的非平衡系統。在過去的研究中，光學腔被廣泛應用于增強原子與光的相互作用，無論是在原子的內部自由度、運動自由度，還是兩者兼具的情況下。這些研究不僅實現了大量糾纏的生成，還在量子傳感和鐘等領域取得了重要進展。然而，為了更好地理解和利用這些系統，科學家們需要深入研究如何在多體系統中工程化原子間的相互作用。針對這一挑戰，美國科羅拉多州博爾德市科羅拉多大學物理系James K. Thompson教授（通訊作者）等人在“Science”期刊上發表了題為“Momentum-exchange interactions in a Bragg atom interferometer suppress Doppler dephasing”的最新論文。本研究意在實現一個單元的腔介導動量交換相互作用，以解決當前量子模擬和傳感領域中的挑戰。動量交換相互作用是通過原子密度光柵在施加的調控激光上產生邊帶音實現的，類似于腔光機械系統中的情況。這種交換相互作用可以被建模為全體之間的假自旋交換相互作用，并且具有多體能隙，能夠抑制由多普勒展寬引起的退相干。通過實驗證實，動量交換相互作用可以進一步拓展了量子模擬的能力，為超導體和動力學規范場等異類行為的模擬奠定了基礎。研究值得注意的是：中國科學技術大學量子信息CAS重點實驗室Haoqing Zhang；中山大學Chengyi Luo 分別為本篇的第二作者和第一作者。
研究亮點
1. 本文通過共享光子的過程，原子之間實現了動量狀態的交換，這種交換相互作用在量子干涉儀中表現為全體之間的類似于 Ising 模型的相互作用。2. 動量交換相互作用導致了集體偽自旋布洛赫矢量的磁化相關全局自旋進動，稱為單軸扭曲。這是一種重要的動力學效應，與實驗結果一致。3. 動量交換相互作用產生了多體能隙，這有效地抑制了多普勒展寬引起的退相干現象。這種能隙的生成在量子傳感中具有重要意義，可以提高傳感器的精度。4. 本文通過利用腔內光場和原子的相互作用，實現了動量交換相互作用，這種方法在量子控制領域具有潛在的應用前景，例如在量子模擬、傳感和計算等方面。
研究結論
本文通過實驗和理論分析深入探究了動量交換相互作用的機制及其對原子系統的影響，具有重要的科學意義。首先，研究表明調節外部激光與共振腔的失諧可以有效控制原子的動量狀態，這為實現原子的精密操控提供了新思路。其次，作者發現動量交換相互作用對原子的相干性具有保護作用，能夠顯著延長原子的相干時間，這為量子信息處理和量子計算提供了重要的技術支持。此外，作者還發現動量交換相互作用能夠將波包之間的運動狀態“綁定”在一起，從而增強了原子之間的相互聯系，這對于研究原子之間的相互作用和量子調控具有重要的指導意義。Chengyi Luo et al. ,Momentum-exchange interactions in a Bragg atom interferometer suppress Doppler dephasing.Science384,551-556(2024).DOI:10.1126/science.adi1393
