研究背景
激光冷却的原子因其多体量子态能够被精确控制进而成为了强大的量子模拟、计量学和计算的平台。其中，量子传感和计量学尤为引人关注，因为它们依赖于工程化原子间的相互作用，以提高量子传感器的精度，并模拟复杂的量子物质相和难以在实际材料中观测的非平衡系统。在过去的研究中，光学腔被广泛应用于增强原子与光的相互作用，无论是在原子的内部自由度、运动自由度，还是两者兼具的情况下。这些研究不仅实现了大量纠缠的生成，还在量子传感和钟等领域取得了重要进展。然而，为了更好地理解和利用这些系统，科学家们需要深入研究如何在多体系统中工程化原子间的相互作用。针对这一挑战，美国科罗拉多州博尔德市科罗拉多大学物理系James K. Thompson教授（通讯作者）等人在“Science”期刊上发表了题为“Momentum-exchange interactions in a Bragg atom interferometer suppress Doppler dephasing”的最新论文。本研究意在实现一个单元的腔介导动量交换相互作用，以解决当前量子模拟和传感领域中的挑战。动量交换相互作用是通过原子密度光栅在施加的调控激光上产生边带音实现的，类似于腔光机械系统中的情况。这种交换相互作用可以被建模为全体之间的假自旋交换相互作用，并且具有多体能隙，能够抑制由多普勒展宽引起的退相干。通过实验证实，动量交换相互作用可以进一步拓展了量子模拟的能力，为超导体和动力学规范场等异类行为的模拟奠定了基础。研究值得注意的是：中国科学技术大学量子信息CAS重点实验室Haoqing Zhang；中山大学Chengyi Luo 分别为本篇的第二作者和第一作者。
研究亮点
1. 本文通过共享光子的过程，原子之间实现了动量状态的交换，这种交换相互作用在量子干涉仪中表现为全体之间的类似于 Ising 模型的相互作用。2. 动量交换相互作用导致了集体伪自旋布洛赫矢量的磁化相关全局自旋进动，称为单轴扭曲。这是一种重要的动力学效应，与实验结果一致。3. 动量交换相互作用产生了多体能隙，这有效地抑制了多普勒展宽引起的退相干现象。这种能隙的生成在量子传感中具有重要意义，可以提高传感器的精度。4. 本文通过利用腔内光场和原子的相互作用，实现了动量交换相互作用，这种方法在量子控制领域具有潜在的应用前景，例如在量子模拟、传感和计算等方面。
研究结论
本文通过实验和理论分析深入探究了动量交换相互作用的机制及其对原子系统的影响，具有重要的科学意义。首先，研究表明调节外部激光与共振腔的失谐可以有效控制原子的动量状态，这为实现原子的精密操控提供了新思路。其次，作者发现动量交换相互作用对原子的相干性具有保护作用，能够显著延长原子的相干时间，这为量子信息处理和量子计算提供了重要的技术支持。此外，作者还发现动量交换相互作用能够将波包之间的运动状态“绑定”在一起，从而增强了原子之间的相互联系，这对于研究原子之间的相互作用和量子调控具有重要的指导意义。Chengyi Luo et al. ,Momentum-exchange interactions in a Bragg atom interferometer suppress Doppler dephasing.Science384,551-556(2024).DOI:10.1126/science.adi1393
