一种腔耦合原子系统制备自旋压缩态的方法

技术领域

本发明属于量子精密测量技术领域，特别是一种腔耦合原子系统制备自旋压缩态的方法。

背景技术

随着激光技术以及离子或原子囚禁技术的发展，实现了对微观粒子的精密操控。原子频标技术基于对原子跃迁的精确操控，以跃迁频率作为鉴频信号获得超高精度的时间频率标准。基于微波频段的原子频标，测量不确定度达到了10

谐振腔能够产生一系列高频电磁场，同时能够在腔内持续振荡，具有高品质因数。谐振腔产生的高频电磁场与原子相互作用，能够激发原子的能级转变，对原子系统的状态进行操控。结合谐振腔和激光同时作用于原子系统，可实现对原子状态的精密操控。

在新国际单位制的七个基本物理量中，除摩尔之外其他六个国际单位均以“秒”为基础，在众多基本参数中处于中心位置。迄今为止，随着技术的进一步发展，发展的基于光学频段的原子频标，测量不确定度达到了10

发明内容

本发明的目的在于提供一种腔耦合原子系统制备自旋压缩态的方法，解决维持自旋压缩效应、纠缠效应稳定存在的问题。

有鉴于此，本发明提供一种腔耦合原子系统制备自旋压缩态的方法，其特征在于，包括：

提供一腔耦合原子系统，所述腔耦合原子系统具有其原子自旋态依赖于原子相互作用的能级结构；

向所述腔耦合原子系统施加偏置磁场或者激光，以使原子能量移动，产生非厄米自旋相互作用；

记录来自所述腔耦合原子系统的自旋波动信号，从所述自旋波动信号中确定自旋压缩的变化情况；

根据所述自旋压缩的变化情况，测量自旋压缩参数小于1时的自旋压缩性质，以产生自旋压缩态。

进一步地，所述自旋压缩参数为垂直于平均自旋方向时的最小自旋波动与自旋平均值的比值。

进一步地，所述原子自旋态包括量子相干态。

进一步地，测量自旋压缩参数稳定时的自旋压缩性质，包括：确定制备自旋压缩态的实验参数的步骤。

进一步地，所述确定制备自旋压缩态的实验参数通过Matlab程序计算得到。

进一步地，还包括：通过计算本征态得到制备自旋压缩态的最佳实验参数。

进一步地，所述能级结构采用超精细能级。

进一步地，所述原子自旋态包括自旋向上状态，位于超精细能级的上能级。

进一步地，所述原子自旋态包括自旋向下状态，位于超精细能级的下能级。

进一步地，从所述自旋波动信号中确定自旋压缩的变化情况，还包括：计算x、y和z方向各自旋分量的平均值的步骤。

本发明实现了以下显著的有益效果：

实现简单，包括：提供一腔耦合原子系统，所述腔耦合原子系统具有其原子自旋态依赖于原子相互作用的能级结构；向所述腔耦合原子系统施加偏置磁场或者激光，以使原子能量移动，产生非厄米自旋相互作用；记录来自所述腔耦合原子系统的自旋波动信号，从所述自旋波动信号中确定自旋压缩的变化情况；根据所述自旋压缩的变化情况，测量自旋压缩参数小于1时的自旋压缩性质，以产生自旋压缩态。实验可操作性强，利用腔与原子相互作用，易于操控原子系统状态，实现的非厄米作用不仅未破坏自旋压缩态，反而维持了自旋压缩效应稳定存在的反直觉物理机制，该方法应用范围广泛。

附图说明

图1为本发明的一种腔耦合原子系统制备自旋压缩态的方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且均适用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

需要说明的是，为了清楚地说明本发明的内容，本发明特举多个实施例以进一步阐释本发明的不同实现方式，其中，该多个实施例是列举式而非穷举式。此外，为了说明的简洁，前实施例中已提及的内容往往在后实施例中予以省略，因此，后实施例中未提及的内容可相应参考前实施例。

虽然该发明可以以多种形式的修改和替换来扩展，说明书中也列出了一些具体的实施图例并进行详细阐述。应当理解的是，发明者的出发点不是将该发明限于所阐述的特定实施例，正相反，发明者的出发点在于保护所有给予由本权利声明定义的精神或范围内进行的改进、等效替换和修改。同样的元模块件号码可能被用于所有附图以代表相同的或类似的部分。

请参照图1，本发明的一种腔耦合原子系统制备自旋压缩态的方法，包括：

步骤S101，提供一腔耦合原子系统，所述腔耦合原子系统具有其原子自旋态依赖于原子相互作用的能级结构；

步骤S102，向所述腔耦合原子系统施加偏置磁场或者激光，以使原子能量移动，产生非厄米自旋相互作用；

步骤S103，记录来自所述腔耦合原子系统的自旋波动信号，从所述自旋波动信号中确定自旋压缩的变化情况；

步骤S104，根据所述自旋压缩的变化情况，测量自旋压缩参数小于1时的自旋压缩性质，以产生自旋压缩态。

进一步地，所述自旋压缩参数为垂直于平均自旋方向时的最小自旋波动与自旋平均值的比值。

在本申请的一种实施例中，具体地，所述原子自旋态包括量子相干态。

在本申请的一种实施例中，具体地，测量自旋压缩参数稳定时的自旋压缩性质，包括：确定制备自旋压缩态的实验参数的步骤。

在本申请的一种实施例中，具体地，所述确定制备自旋压缩态的实验参数通过Matlab程序计算得到。

在本申请的一种实施例中，具体地，还包括：通过计算本征态得到制备自旋压缩态的最佳实验参数。

在本申请的一种实施例中，具体地，所述能级结构采用超精细能级。

在本申请的一种实施例中，具体地，所述原子自旋态包括自旋向上状态，位于超精细能级的上能级。

在本申请的一种实施例中，具体地，所述原子自旋态包括自旋向下状态，位于超精细能级的下能级。

在本申请的一种实施例中，具体地，从所述自旋波动信号中确定自旋压缩的变化情况，还包括：计算x、y和z方向各自旋分量的平均值的步骤。

根据本发明实施例的一方面，所述产生自旋压缩的具体步骤为：首先，将原子制备在相干态|↓>，多粒子系统制备在相干初态ψ

自旋向下状态|↓>表示为

以两原子为例，直积态为

然后，所述腔耦合原子系统将多个原子制备于两能级上，两超精细能级等效于两分量的自旋系统。所述激光与原子相互作用，同时腔场与原子作用，产生原子基态与激发态间的拉曼跃迁，所有原子都被囚禁于阱内。

根据本发明实施例的一方面，所述偏置磁场或者激光使得原子能量移动，随着原子自由演化，产生非厄米自旋相互作用,表示为

以两粒子为例，

因此，总自旋表示为

根据本发明实施例的一方面，随着时间演化ψ

作为具体的实施例，最后，随着时间演化，在本征态ψ

自旋压缩定义为

其中

作为具体的实施例，对两粒子情况，S

则

坐标系的另外两个方向则表示为

且

其中θ和φ表示角度且

当

对于给定的波函数ψ，自旋平均值可以通过方程

当＜S

因此，自旋压缩表示为

所述自旋相互作用系统

最终，随着时间演化达到稳定的自旋压缩态，产生反直觉的物理效应，不仅未破坏自旋压缩效应，而且随着时间演化稳定在最优的自旋压缩态，更容易获得且更加稳定。

从以上描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下的技术效果：

实现简单，包括：提供一腔耦合原子系统，所述腔耦合原子系统具有其原子自旋态依赖于原子相互作用的能级结构；向所述腔耦合原子系统施加偏置磁场或者激光，以使原子能量移动，产生非厄米自旋相互作用；记录来自所述腔耦合原子系统的自旋波动信号，从所述自旋波动信号中确定自旋压缩的变化情况；根据所述自旋压缩的变化情况，测量自旋压缩参数小于1时的自旋压缩性质，以产生自旋压缩态。实验可操作性强，利用腔与原子相互作用，易于操控原子系统状态，实现的非厄米作用不仅未破坏自旋压缩态，反而维持了自旋压缩效应稳定存在的反直觉物理机制，该方法应用范围广泛。

根据本发明技术方案和构思，还可以有其他任何合适的改动。对于本领域普通技术人员来说，所有这些替换、调整和改进都应属于本发明所附权利要求的保护范围。