Отжим отжима - Spin squeezing

Сжатие спина - это квантовый процесс, который уменьшает дисперсию одной из компонент углового момента в ансамбле частиц со спином. Полученные квантовые состояния называются спиновыми сжатыми состояниями . Такие состояния можно использовать в квантовой метрологии , поскольку они могут обеспечить лучшую точность оценки угла поворота, чем классические интерферометры.

Математическое определение

Сжатые состояния для ансамбля спинов определены аналогично сжатым состояниям бозонной моды. Квантовое состояние всегда подчиняется неопределенности Гейзенберга соотношение

${\ displaystyle (\ Delta J_ {x}) ^ {2} (\ Delta J_ {y}) ^ {2} \ geqslant {\ frac {1} {4}} | \ langle J_ {z} \ rangle | ^ {2},}$

где - компоненты коллективного момента импульса, определяемые как и - компоненты момента импульса отдельной частицы. Состояние сжимается по спину в -направлении, если дисперсия -компоненты меньше квадратного корня из правой части неравенства выше ${\ displaystyle J_ {l}}$${\ displaystyle J_ {l} = \ sum _ {n} j_ {l} ^ {(n)},}$${\ displaystyle j_ {l} ^ {(n)}}$${\ displaystyle x}$${\ displaystyle x}$

${\ displaystyle (\ Delta J_ {x}) ^ {2} <{\ frac {1} {2}} | \ langle J_ {z} \ rangle |.}$

Важно то, что это направление среднего спина. Другое определение было основано на использовании состояний с уменьшенной спиновой дисперсией для метрологии. ${\ displaystyle z}$

Приложения в квантовой метрологии

Сжатые спиновые состояния могут использоваться для оценки угла поворота с точностью лучше, чем классический предел или предел дробового шума. В частности, если почти максимальное среднее значение спина указывает на -направление, а состояние сжато по спину в -направлении, то его можно использовать для оценки угла поворота вокруг оси -оси. Например, это можно использовать для магнитометрии. ${\ displaystyle z}$${\ displaystyle x}$${\ displaystyle y}$

Отношения к квантовой запутанности

Можно доказать, что сжатые со спином состояния запутаны, основываясь на измерении длины спина и дисперсии спина в ортогональном направлении. Определим параметр сжатия спина

${\ displaystyle \ xi _ {\ rm {s}} ^ {2} = N {\ frac {(\ Delta J_ {x}) ^ {2}} {| \ langle J_ {z} \ rangle | ^ {2 }}}}$ ,

где - количество спин- частиц в ансамбле. Тогда, если меньше, то состояние запутано. Также было показано, что для достижения все большей и большей степени сжатия спина необходим все более и более высокий уровень множественной запутанности. ${\ displaystyle N}$${\ displaystyle 1/2}$${\ displaystyle \ xi _ {\ rm {s}} ^ {2}}$${\ displaystyle 1}$

Эксперименты с атомными ансамблями

Эксперименты проводились с атомными ансамблями холодных или даже комнатных температур. В этом случае атомы не взаимодействуют друг с другом. Следовательно, чтобы запутать их, они заставляют их взаимодействовать со светом, который затем измеряется. В такой системе было получено 20 дБ (100-кратное) сжатие спина. Одновременное сжатие спинов двух ансамблей, которые взаимодействуют с одним и тем же световым полем, было использовано для запутывания двух ансамблей. Выжимание отжима может быть усилено за счет использования полостей.

Эксперименты с холодным газом также проводились с конденсатами Бозе-Эйнштейна (BEC). В этом случае сжатие спинов происходит за счет взаимодействия между атомами.

Большинство экспериментов проводилось с использованием только двух внутренних состояний частиц, следовательно, эффективно со спиновыми частицами. Есть также эксперименты по сжатию спина с частицами более высокого спина. Сжатие ядерных электронных спинов внутри атомов, а не сжатие межатомных спинов, также было создано в газах с комнатной температурой. ${\ displaystyle 1/2}$

Создание большого отжима отжима

Эксперименты с атомными ансамблями обычно проводятся в свободном пространстве с помощью гауссовых лазерных пучков. Для усиления эффекта сжатия спина в направлении генерации негауссовских состояний, которые являются метрологически полезными, аппаратов свободного пространства недостаточно. Резонаторы и нанофотонные волноводы использовались для усиления эффекта сжатия меньшим количеством атомов. Для волноводных систем связь атома со светом и эффект сжатия можно усилить, используя затухающее поле рядом с волноводами, а тип взаимодействия атома со светом можно контролировать, выбрав надлежащее состояние поляризации направляемого входящего света, т.е. подпространство внутренних состояний атомов и геометрия формы захвата. Предложены протоколы сжатия спина с использованием нанофотонных волноводов, основанные на эффекте двойного лучепреломления и эффекте Фарадея. Оптимизируя оптическую глубину или кооперативность посредством управления геометрическими факторами, упомянутыми выше, протокол Фарадея демонстрирует, что для усиления эффекта сжатия необходимо найти геометрию, которая генерирует более слабое локальное электрическое поле в положениях атомов. Это нелогично, потому что обычно для усиления связи атома со светом требуется сильное локальное поле. Но это открывает дверь для проведения очень точных измерений с небольшими нарушениями в квантовой системе, которые не могут быть удовлетворены одновременно с сильным полем.

Обобщенное отжимание спина

В теории запутанности обобщенное сжатие спина также относится к любому критерию, который задается с первым и вторым моментами координат углового момента, и обнаруживает запутанность в квантовом состоянии. Для большого ансамбля частиц со спином 1/2 был найден полный набор таких соотношений, которые были обобщены на частицы с произвольным спином. Помимо обнаружения запутанности в целом, существуют отношения, которые обнаруживают многочастную запутанность. Некоторые из обобщенных критериев запутанности со сжатием спина также имеют отношение к квантовым метрологическим задачам. Например, плоские сжатые состояния можно использовать для оптимального измерения неизвестного угла поворота.

Рекомендации