热平衡下光的量子态可实现高精度传感技术

量子光学中最为有趣的研究发现之一是“压缩光”的产生,即表现为量子态的光,这使得其中一个描述光场的共轭变量(例如电场或磁场)的涨落低于标准量子极限,其代价是另一个变量的涨落变得更高。由于这一有趣的性质,压缩光已经在光通信、量子计算以及著名的引力波探测中的精确测量中得到应用。
然而,必须注意的一点是:压缩光的产生需要将系统驱动到非平衡状态,但由于意外的噪声,这限制了实际实验中所能实现的压缩程度。不仅如此,此时所获得的压缩态是不稳定的。因此,人们不禁要问,是否可能在热平衡下获得压缩态?
事实证明,光与物质耦合的系统在其基态下可以表现出这种平衡压缩,这种现象被称为“本征压缩”。这种压缩态本质上是稳定且抗噪声的,压缩程度由光与物质耦合的强度决定。在无限耦合的理想极限下可达到一种完美的压缩,其表现为一个变量的涨落消失。
但完美压缩一定是理想的吗?我们的研究从理论上表明事实并非如此。我们考虑了标准的迪克模型(Dicke model),其描述了光子场和原子系综之间的耦合。我们首先在数值上寻找一个能够使其基态下的可观测压缩达到最大化的最佳光子-原子双模基。我们发现,当一种称为“超辐射相变”的奇特现象出现时,就能获得完美压缩,这种现象表现为由于强烈的光与物质耦合而自发出现的相干。随后,我们通过分析确认基态下的压缩是理想的,这将有利于未来投入应用。
我们相信,一旦在实验中观察到我们的研究结果,就可以带来量子光学的范式转变,从而开启耐噪声量子传感和量子信息技术革命的大门。

论文标题:

Perfect Intrinsic Squeezing at the Superradiant Phase Transition Critical Point

作者:

Kenji Hayashida, Takuma Makihara, Nicolas Marquez Peraca, Diego Fallas Padilla, Han Pu, Junichiro Kono, and Motoaki Bamba

论文链接: https://arxiv.org/abs/2009.02630