原子的自旋压缩态在量子精密测量、量子模拟与量子通信等领域具有重要的应用价值。目前，制备具有“高压缩度”的自旋压缩态已成为量子光学与量子信息研究的前沿热点。然而，现有研究大多将单个原子简化为二能级系统进行处理，而实际原子通常具有多能级结构。以铷87原子为例，其基态（5S_1/2, F=2）包含有五个简并能级，构成丰富的内态自由度。如何有效利用这些自由度，进一步提升原子自旋压缩的总体压缩度，已成为当前研究中一项极具挑战且高度复杂的课题。

本研究提出并实验上首次实现了一种原子内外态协同压缩的新方案。对于原子内态压缩，我们利用了激光场与原子的非共振相互作用所诱导的单原子单轴扭曲相互作用哈密顿量，单轴扭曲相互作用作为一种常见且被广泛使用的原子非线性相互作用，能够快速且高效地制备出原子的内态自旋压缩，但其压缩方向随时间持续变化。对于原子外态压缩，我们采用了成熟的量子非破坏测量技术，通过测量与原子相纠缠的激光场，建立起原子间的量子关联，进而实现外态压缩。在此基础上，我们通过相干调控手段（利用磁场所致的拉莫近动实现，如图1所示）控制内、外态压缩的压缩方向，使得两者能够“干涉”相长，即内态压缩与外态压缩共同对总自旋压缩度产生贡献，从而显著提升自旋体系的总压缩度。

图1. （a）原子内外态协同自旋压缩实验设置示意图；（b）光场脉冲设置示意图；（c）原子能级结构与激光场相互作用示意图；（d）原子内外态协同自旋压缩原理示意图。

图2. (a) 不同方向自旋分量的压缩度图（二脉冲方案）；(b) 不同方向自旋分量的压缩度图（三脉冲方案），上紫色线：表示内态压缩产生的自旋压缩度，下绿（黄）色线：表示内外态协同压缩产生的自旋压缩。

原子自旋压缩的压缩程度通常采用压缩度ξ²来度量，当ξ²小于1时，表示体系存在自旋压缩。图2展示了我们的实验结果：在仅进行内态压缩的情况下，获得的最佳压缩度约为-1.02 dB；而在内外态协同压缩的条件下，最佳压缩度提升至约-3.57 dB。该结果相较于仅实施外态压缩时获得的-2.83 dB提高了-0.74 dB，从而在实验上证实了原子内外态协同自旋压缩的实现。进一步研究发现，采用“过去量子态”技术（亦称三脉冲技术），可将自旋压缩度进一步提升至-6.21 dB，这是目前在热原子体系中所实现的最高压缩水平。

在热原子系综（本实验中原子体系的温度约为53摄氏度）中制备自旋压缩态是一项极具挑战的任务，原因在于原子的自发辐射和热运动碰撞等随机过程可能引入额外噪声，从而削弱体系的自旋压缩效果。本研究历时三年，经过不懈努力，研究团队才首次在实验中观测到原子内外态协同自旋压缩现象。该成果是王明锋副教授继2020年参与发表于《Nature》的研究工作《Spin squeezing of 10¹¹ atoms by prediction and retrodiction measurement》（https://doi.org/10.1038/s41586-020-2243-7）以及2024年参与发表于《Physical Review Letters》的研究工作《Concurrent Spin Squeezing and Light Squeezing in an Atomic Ensemble》（https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.173604）之后，在热原子研究领域取得的又一重要突破。

相关研究结果以题“Cooperative Squeezing of Internal and Collective Spins in an Atomic Ensemble”发表于近期的《Physical Review Letters》上，我校数理学院王明锋副教授、复旦大学肖艳红教授和浙江工业大学张桂迎副教授为论文共同通讯作者，博士生张有为为论文的第一作者，哥本哈根大学Klaus Mølmer教授为该工作提供了重要指导。该项目获得了“量子通信与量子计算机”国家科技重大专项、上海市科学技术委员会项目、国家自然科学基金、山西省“1331工程”专项基金、浙江省自然科学基金，以及丹麦国家研究基金会的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1103/xkt1-y58b