量子光学的新开拓:相对论性系统中的量子相干性与量子测量
2018-12-30

近期,华东师范大学张可烨副研究员与上海交通大学张卫平教授的联合研究组,利用他们在量子光学与原子光学领域多年的理论研究积累,开始尝试研究量子相干性与反作用免疫(backaction-evading)的量子测量在相对论性系统中的体现,试图为量子光学与量子计量学在更宽广的视野下寻求发展探索道路,也为大尺度下的量子技术应用开启思考。

量子相干性、量子干涉以及量子测量是现代光学分支——量子光学的核心研究方向,也是量子物理,包括量子态叠加、量子纠缠及测不准原理在光本质上的探索及推动光学、原子分子物理等交叉领域应用中的重要基础。激光的发明是量子物理向技术发展的硕果,也为人类揭开了认识光的量子本质的面纱。光的相干性、量子关联性,包括相干态与压缩态的提出与实验产生,让人类再次见证了量子力学与测不准原理所展现的神奇力量,也促使科学家深入思考量子测量问题,测量过程的反作用影响,以及量子力学原理对物理量精密测量施加的量子极限。这些研究逐步催生出量子计量学,同时涉及量子物理更加宽广的研究延拓,包括薛定谔猫态、引力波探测等。然而,这些基本问题的研究,最终都将指向相对论时空下的量子效应问题。

课题组将量子光学中突破测不准原理的反作用免疫的量子测量理论和相对论量子力学中的狄拉克振子模型结合,揭示了相对论效应对量子精密测量的限制。在传统量子光学系统中,可以通过设计一对具有正负“质量”的振子,利用其力学响应相反的特性,经由联合测量来抵消测量反作用,从而突破测不准原理的限制(见图(a))。而具有正负对称的能量态正是相对论量子系统的特征,比如狄拉克振子就有近似于一对质量相反的简谐振子的激发能谱(见图(b))。这一特征自然引发思考,相对论量子系统是否自然具有反作用免疫量子测量的内禀特性?然而,研究的结果却给出了相反的答案。他们通过严格的理论分析,揭示出自旋轨道耦合这一相对论效应将导致正负能量态之间的量子干涉,使得高能粒子发生高频狄拉克颤动(Zitterbewegung),从而限制了反作用免疫量子测量在高能量区的实现。该研究也详细给出了可以实现反作用免疫量子测量的条件与可能的量子系统。


图(a)反作用免疫的量子测量原理图;(b)狄拉克振子的正负能级图与快速颤动对测量的干扰;(c)基于旋量超冷原子凝聚体与光相互作用系统的相对论量子测量研究平台示意图。

此外,从实验验证的角度,课题组绕过粒子对撞机、同步辐射光源等高能巨型实验平台,建议在简单小型的实验装置中模拟相对论狄拉克振子,研究这一类量子测量问题的实验可能性。课题组给出了一类基于原子玻色爱因斯坦凝聚体的实验方案,通过巧妙设计原子凝聚体与激光场的相互作用来模拟狄拉克振子和赝真空,为在低能量尺度下进行模拟相对论性系统的量子光学研究指出了理想平台,并以此展示了量子力学集体效应对相对论系统量子相干性和量子测量的影响。

该项创新研究成果以Relativistic Measurement Backaction in the Quantum Dirac Oscillator为题发表在Physical Review Letters [121, 110401(2018)]上。本研究得到国家科技部、国家自然科学基金委与上海市科委等单位的资助。

文章链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.110401

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