在空腔中扭曲和结合物质波与光子

由于原子反冲力，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，原子会向相反方向“反冲”，从而难以精确测量原子的位置和动量。这种反冲力对量子传感具有重大影响，量子传感可以检测参数的微小变化，例如，利用引力波的变化来确定地球的形状，甚至检测暗物质。

在《科学》杂志上发表的一篇新论文中， JILA 和 NIST 研究员 Ana Maria Rey 和 James Thompson、JILA 研究员 Murray Holland 及其团队提出了一种通过演示一种称为动量交换相互作用的新型原子相互作用来克服这种原子反冲的方法，其中原子通过交换相应的光子来交换动量。

研究人员利用空腔(由镜子组成的封闭空间)观察到，原子在有限空间内交换能态，从而抑制了原子反冲。这个过程产生了能量的集体吸收，并将反冲力分散到了整个粒子群中。

有了这些结果，其他研究人员就可以在各种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，例如玻色-爱因斯坦-凝聚-巴丁-库珀-施里夫特 (BEC-BCS) 交叉或高能物理系统。

首次观察到动量交换相互作用会诱发原子动量态之间的单轴扭曲(OAT)动力学，这是量子纠缠的一个方面。 OAT 就像量子编织物一样，用于纠缠不同的分子，因为每个量子态都会扭曲并连接到另一个粒子。

此前，OAT仅在原子内态中出现，但现在，有了这些新结果，人们认为动量交换引起的OAT可以帮助减少来自多个原子的量子噪声。能够纠缠动量态还可以改善量子传感器的一些物理测量，例如引力波。

利用密度光栅

在这项新研究中，受到汤普森和他的团队之前研究的启发，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，原子都共享相同的自旋标签;唯一的区别是每个原子处于两种动量状态的叠加，”研究生兼第一作者 Chengyi Luo 解释道。

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。与躲避球游戏类似，一个原子可以“扔”一个“躲避球”(光子)并朝相反方向反冲。该“躲避球”可能会被第二个原子抓住，这会对第二个原子造成相同量的反冲力。这抵消了两个原子经历的两次反冲，并对整个空腔系统进行平均。

当两个原子交换不同的光子能量时，叠加的波包(原子的波分布)形成称为密度光栅的动量图，看起来像细齿梳。

罗补充道：“密度光栅的形成表明[原子内]的两个动量状态彼此‘相干’，因此它们可以[互相干扰]。”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和光学腔之间的相互作用来诱导动量交换。由于原子交换能量，吸收光子产生的任何反冲都会分散在整个原子群中，而不是单个粒子中。

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缓解一个单独的测量问题：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的声音在经过听众时会改变音高，或者为什么某些星星在夜空图像中呈现红色或蓝色——这是波频率的变化，如下所示：源和观察者彼此靠近(或远离)。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，多普勒频移可能是获得精确测量时需要克服的挑战。 “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，”他解释道。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导致的测量偏差。

纠缠的动量交换

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·威尔逊所说，“当一个原子下落时，它的运动会摆动腔频率。这反过来又会鼓励其他原子集体感受到这种反馈机制，并推动它们通过共同的摇摆。”

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，然后引发动量交换。研究人员发现，原子继续表现得好像它们是相连的。 “这表明这两个动量状态确实在相互振荡，就像通过弹簧连接一样，”罗补充道。

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，希望更好地了解如何利用它来改进各种类型的量子器件。