微波调谐量子自旋的突破性研究

诸平

Fig. 1 JILA and Harvard researchers have enhanced quantum sensing by controlling molecular interactions through Floquet engineering, achieving two-axis twisting dynamics for potential future applications in precision measurements. Credit: SciTechDaily.com

Fig. 2 Pulse sequences for generating two-axis twisting rotate the spins of KRb molecules, transforming the spin exchange interactions. Credit: Steven Burrows/Ye Group

据位于美国科罗拉多大学博尔德分校（University of Colorado Boulder campus）的实验天体物理联合研究所（Joint Institute for Laboratory Astrophysics简称JILA）2024年9月15日提供的消息，微波调谐量子自旋的突破性研究（Microwaves Tune Quantum Spins in Breakthrough Study）。

JILA和哈佛大学的研究人员使用弗洛凯工程（Floquet engineering）来控制超冷钾-铷分子之间的相互作用，观察可以为高级量子传感产生纠缠态的双轴扭曲动力学（two-axis twisting dynamics）。这种方法可以操纵分子的自旋状态，为研究磁系统和多体现象（many-body phenomena）提供洞见。

用自旋探索量子现象（Exploring Quantum Phenomena With Spins）

量子自旋之间的相互作用构成了宇宙中一些最有趣现象的基础，比如超导体和磁体。然而，物理学家很难在实验室中设计出可控制的系统来复制这些相互作用。

现在，2024年9月11日发表在《自然》（Nature）杂志上的一篇论文——Calder Miller, Annette N Carroll, Junyu Lin, Henrik Hirzler, Haoyang Gao, Hengyun Zhou, Mikhail D Lukin, Jun Ye. Two-axis twisting using Floquet-engineered XYZ spin models with polar molecules. Nature, 2024 Sep; 633(8029): 332-337. DOI: 10.1038/s41586-024-07883-2. Published: 11 September 2024. https://doi.org/10.1038/s41586-024-07883-2

在此文中，JILA和美国国家标准与技术研究院（NIST）研究员、科罗拉多大学博尔德分校（University of Colorado Boulder）物理学教授叶军（Jun Ye音译）和他的团队，以及哈佛大学（Harvard University, Cambridge, MA, USA）米哈伊尔·卢金小组（Mikhail Lukin’s group）的合作者，在一个被称为弗洛凯工程的过程中，使用周期性微波脉冲来调节超冷钾铷分子（ultracold potassium-rubidium molecules）之间的相互作用，该系统适合研究基本磁系统。此外，研究人员在他们的系统中观察到双轴扭曲动力学，这可以在未来产生纠缠态，以增强量子传感。

极性分子在量子模拟中的应用（Utilizing Polar Molecules in Quantum Simulations）

在这个实验中，研究人员操纵了极冷的钾铷分子。由于极性分子是量子模拟的一个有前途的平台，使用弗洛凯工程的可调分子相互作用，可以为理解其他量子多体系统打开新的大门。

JILA的研究生、该研究论文的第一作者考尔德·米勒(Calder Miller)解释说:“使用这些量子系统有很多兴趣，特别是极性分子，因为分子具有丰富的能量结构，依赖于许多不同的物理常数，因此可以对许多新的物理效应敏感。所以，如果我们能设计它们的相互作用，原则上，我们就能创造出纠缠态，从而对新物理学有更好的灵敏度。”

增强量子传感（Enhancing Quantum Sensing）

弗洛凯工程已经成为驱动物理系统内部相互作用的一种有用技术。这种方法就像量子频闪灯（quantum strobe light）一样，通过调节闪光的速度和强度，可以产生不同的视觉效果，比如让物体看起来像慢动作，甚至静止不动。同样，通过使用周期性微波脉冲来驱动系统，科学家可以通过控制粒子相互作用的方式来创造不同的量子效应。

叶军研究小组的JILA研究生、也是上述研究论文的作者之一安妮特·卡罗尔（Annette Carroll）说：“在我们的旧装置中，我们可以驱动的脉冲数量有限。因此，我们与电子商店（electronics shop）合作开发了一个基于FPGA的任意波形发生器，它现在允许我们应用数千个脉冲。这意味着我们不仅可以设计一个脉冲序列来消除单粒子噪声，而且我们还可以修改系统中的相互作用。”

实现量子态的精确控制（Achieving Precise Control Over Quantum States）

在实施弗洛凯工程之前，研究人员首先在分子的两个最低旋转状态中编码量子信息(尽管分子有更多的状态)。使用初始微波脉冲，将分子置于这两种自旋态的量子叠加态。

在对信息进行编码后，研究人员使用弗洛凯工程技术（Floquet Engineering technique）来查看它们是否可以调整特定类型的量子相互作用，即XXZ和XYZ自旋模型。这些模型描述了粒子固有的量子自旋如何相互作用，这是理解磁性材料和其他多体现象的基础。

虽然物理学家使用数学构造的布洛赫球（Bloch sphere）来展示这些模型中的自旋是如何演变的，但更容易想象分子是如何根据它们与邻居或舞伴的相互作用来改变它们的舞蹈模式的。这些分子舞蹈者可能会从拉动或推动它们的伙伴切换，这在量子层面上可以等同于自旋方向的变化。

在这项研究中，量子频闪光（quantum strobe light），或弗洛凯工程，推动了分子之间相互作用的这些变化，研究人员证实，这些变化产生了与使用外加电场微调相互作用产生的自旋动力学相似。此外，研究人员还精确控制了脉冲序列，以实现电场无法产生的非对称相互作用。

观察两轴扭转动力学（Observing Two-Axis Twisting Dynamics）

科学家们还观察到，他们的技术产生了双轴扭曲动力学（two-axis twisting dynamics）。双轴扭曲包括沿两个不同的轴推动和拉动量子自旋，这可能导致高度纠缠态。这个过程对于推进传感和精确测量是有价值的，因为它允许有效地创建自旋压缩状态（spin-squeezed states）。这些态减少了自旋系统中一个组分的量子不确定性，同时增加了另一个正交组分的量子不确定性，从而提高了光谱实验的灵敏度。

考尔德·米勒说:“当我们看到双轴扭曲的最初特征时，这是非常令人兴奋的。我们不确定我们是否能够让它工作，但我们尝试了，一天半后，我们很清楚地看到了信号。”

双轴扭转的概念在20世纪90年代初被提出，但它在两个JILA实验室的实现必须等到2024年。除了叶军和他的团队的这项工作之外，JILA和NIST研究员以及科罗拉多大学博尔德分校物理学教授詹姆斯·汤普森（James Thompson）和他的团队使用了一种完全不同的方法来研究原子腔量子电动力学（Cavity Quantum Electrodynamics简称Cavity QED），今年也展示了双轴扭曲（two-axis twisting this year）。

规划未来的研究工作（Planning Future Research Endeavors）

虽然研究小组并没有尝试在他们的系统中检测纠缠，但他们计划在未来这样做。考尔德·米勒补充说：“最合乎逻辑的下一步是改进我们的检测，这样我们就可以真正验证纠缠态的产生。”

这项工作得到了美国能源部科学办公室（US Department of Energy’s Office of Science）、美国国家量子信息科学研究中心（National Quantum Information Science Research Centers）以及量子系统加速器（Quantum Systems Accelerator）的联合支持。另外还有来自美国国家科学基金会(NSF)量子飞跃挑战研究所{National Science Foundation (NSF) Quantum Leap Challenge Institutes (OMA-2016244)}、美国国家科学基金会物理前沿中心{NSF Physics Frontiers Centers (PHY-2317149, PHY-2317134)}、美国空军科学研究办公室多学科大学研究计划（Air Force Office of Scientific Research Multidisciplinary University Research Initiative）、美国陆军研究办公室多学科大学研究计划（Army Research Office Multidisciplinary University Research Initiative）、美国国家标准与技术研究所（National Institute of Standards and Technology）、美国国家科学基金会{NSF(PHY-2012023)}、美国国防部国防科学与工程研究生奖学金{Department of Defense through the National Defense Science and Engineering Graduate Fellowship}、美国国家科学基金会研究生研究奖学金计划（NSF Graduate Research Fellowship Program under grant number DGE 2040434）的支持或资助。.

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Polar molecules confined in an optical lattice are a versatile platform to explore spin-motion dynamics based on strong, long-range dipolar interactions^1,2. The precise tunability³ of Ising and spin-exchange interactions with both microwave and d.c. electric fields makes the molecular system particularly suitable for engineering complex many-body dynamics^4,5,6. Here we used Floquet engineering⁷ to realize new quantum many-body systems of polar molecules. Using a spin encoded in the two lowest rotational states of ultracold ⁴⁰K⁸⁷Rb molecules, we mutually validated XXZ spin models tuned by a Floquet microwave pulse sequence against those tuned by a d.c. electric field through observations of Ramsey contrast dynamics. This validation sets the stage for the realization of Hamiltonians inaccessible with static fields. In particular, we observed two-axis twisting⁸ mean-field dynamics, generated by a Floquet-engineered XYZ model using itinerant molecules in two-dimensional layers. In the future, Floquet-engineered Hamiltonians could generate entangled states for molecule-based precision measurement⁹ or could take advantage of the rich molecular structure for quantum simulation of multi-level systems^10,11.