[论文解读] Spin Squeezing by Rydberg Dressing in an Array of Atomic Ensembles

Jacob Hines, S. Rajagopal+5 more|PubMed|Mar 15, 2023

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 68被引用 4

一句话总结

该论文通过时序性里德堡布居（stroboscopic Rydberg dressing）在200个原子的铯原子阵列中实现了自旋压缩，获得了0.77(9)的计量学压缩参数ξ²。通过施加脉冲式、非共振的319 nm光，诱导出受控的短程伊辛相互作用，该方法抑制了超泊松损耗，并实现了对多个空间分离原子阵列中纠缠的局域光学控制，从而增强了量子传感与计量性能。

ABSTRACT

We report on the creation of an array of spin-squeezed ensembles of cesium atoms via Rydberg dressing, a technique that offers optical control over local interactions between neutral atoms. We optimize the coherence of the interactions by a stroboscopic dressing sequence that suppresses super-Poissonian loss. We thereby prepare squeezed states of N=200 atoms with a metrological squeezing parameter ξ^{2}=0.77(9) quantifying the reduction in phase variance below the standard quantum limit. We realize metrological gain across three spatially separated ensembles in parallel, with the strength of squeezing controlled by the local intensity of the dressing light. Our method can be applied to enhance the precision of tests of fundamental physics based on arrays of atomic clocks and to enable quantum-enhanced imaging of electromagnetic fields.

研究动机与目标

• 通过里德堡布居在多个空间分离的原子阵列中生成自旋压缩态，以提升量子计量性能。
• 克服连续布居方案中因促进激发（级联效应）导致的退相干问题。
• 通过在阵列中空间调制布居光强，实现对自旋压缩强度的局域光学控制。
• 在1D微阱阵列中实现可扩展的多路复用纠缠，应用于原子钟与场传感器。
• 在保持高对比度并最小化技术噪声源的同时，实现具有计量学意义的压缩。

提出的方法

• 采用时序脉冲序列施加非共振的319 nm光，抑制因级联激发引起的超泊松损耗。
• 利用里德堡布居在超精细钟态|↓⟩与|↑⟩的铯原子之间诱导伊辛型相互作用，通过与|60P₃/₂⟩里德堡态耦合实现。
• 实施自旋回波序列以标定有效扭转强度Q = ∫χ(t) dt，从而精确控制压缩相互作用。
• 通过在阵列中空间调制激光强度，独立调节每个位置的拉比频率Ω，从而调节相互作用强度。
• 采用包含Nc = 13个相互作用邻居的一轴扭转模型来描述观测到的压缩，同时考虑有限基线对比度的影响。
• 将脉冲持续时间限制在τp ≈ 600 ns，以减少杂质原子引起的对比度损失及阱诱导的退相。

实验结果

研究问题

• RQ1 时序性里德堡布居能否抑制级联激发引起的退相干，从而实现在多个原子阵列中的相干自旋压缩？
• RQ2 对布居光强的局域光学控制在多空间分离原子阵列中，能在多大程度上调节自旋压缩强度？
• RQ3 该方法在1D 200个原子阵列中可实现的计量学压缩参数ξ²为多少？
• RQ4 观测到的压缩与基于有限邻居数的一轴扭转理论预测相比如何？
• RQ5 该方法能否扩展至三维阵列，以实现超越当前ξ² ≈ 0.3极限的更深层次压缩？

主要发现

• 实验在三个空间分离的阵列中实现了最低计量学压缩参数ξ² = 0.77(9)，证明了超越标准量子极限的相位方差降低。
• 压缩程度随扭转强度Q的增加而增强，证实了其与相互作用强度的预期依赖关系，并验证了一轴扭转模型。
• 正交四极矩中的反压缩达到ξ²_max = 0.77(9)，在最优相位下一致，符合自旋压缩理论，表明存在强纠缠。
• 观测到的压缩与包含Nc = 13个相互作用邻居及少量技术噪声（约量子投影噪声的3%）的模型一致。
• 通过将脉冲持续时间限制在τp ≈ 600 ns，最小化了对比度损失；通过缩短总时序脉冲序列，减轻了阱诱导的退相。
• 结果表明，通过提高激光强度或延长相互作用时间，可实现更强压缩，理论上在三维系统中ρ = 2×10¹¹ cm⁻³且Nc ≈ 60时，可达到ξ² ≈ 0.09。