近日，我校物理与天文学院量子工程与精密测量团队邓元刚副教授与中科院理论所易俗研究员、石弢研究员合作，在中科院一区期刊Photonics Research上在线发表了题为“Motional n-phonon bundle states of a trapped atom with clock transitions”的论文。提出了利用单个碱土金属原子钟跃迁，实现一个高效的基于长寿命运动自由度的N-声子聚束态发射的实验方案。
实现高效可控的一些新奇非经典态，如N-光子聚束态等，在量子信息科学、量子计量学、基础物理研究中有非常重要的作用。由于具有特殊的量子统计特性，最近基于Mollow 物理或确定性参数下转换机制产生的N-光子聚束态的研究吸引了很多的研究兴趣，也是当前量子光学与量子信息交叉学科的一个重要研究方向。由于光子之间固有散射相互作用非常微弱，高品质N-光子聚束态的实验实现仍然面临很大的挑战。伴随着近年来实验上在量子电路系统和宏观机械谐振腔中对单个声子态操控能力的日趋完善，这些低能量、长寿命的新奇N-声子态在研究退相干机制、构建量子存储器和传感器等方面有重要的作用。
图1. 基于运动自由度的典型的两声子聚束态（左栏）和三声子聚束态（右栏）的量子统计特性。
该研究提出了基于单个碱土金属原子钟跃迁，通过构建可调的动量空间和自由空间的自旋-轨道耦合，实现一个高效的基于运动自由度的N-声子聚束态发射的实验方案。不同于利用Mollow机制的非共振高阶过程产生的N-声子发射，该研究提出的利用共振跃迁的N-声子发射方案可以产生很大的声子数激发，可以用来作为高品质N-声子源。这里N-声子聚束态发射可以通过计算推广的高阶关联函数来很好的刻画。如图1所示，不同的声子束之间表现出强的反聚束效应，同时单声子之间表现出强的聚束效应。同时利用声子的统计特性对光钟位移的高度依赖性，可以探究利用非破坏性测量声子的量子统计特性，实现对原子魔幻波长或者光钟位移的实时精密测量，这将对高精度冷原子光钟的研究具有重要的意义。
该工作中山大学为第一通讯单位，邓元刚副教授为第一作者，邓元刚副教授和中科院理论所易俗研究员为共同通讯作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委、广东省科技厅等机构的资助，同时也得到了广东省量子精密测量与传感重点实验室的大力支持。
论文链接：https://www.osapublishing.org/prj/fulltext.cfm?uri=prj-9-7-1289&id=452953
