超越标准量子极限：基于全局相位的量子放大光谱技术在光学原子钟中的应用

来自前沿计量学研究团队开发了一种新型Rabi型“全局相位光谱”技术，通过利用失敏敏感的Aharonov–Anandan全局相位，在光学晶格钟中实现了量子放大时间反演光谱。该研究直接测得2.4(7) dB计量增益和4.0(8) dB激光噪声灵敏度提升，突破了标准量子极限(SQL)，为下一代量子传感器提供了高扩展性和抗干扰性的解决方案。

　　

光学晶格钟(optical lattice clocks)目前正处于精密计量学的前沿领域，其精度接近由量子噪声设定的标准量子极限(standard quantum limit, SQL)。量子纠缠技术为超越这一极限提供了可行路径，但在可扩展性和测量分辨率方面存在实际困难。

本研究通过引入绝热量子门(holonomic quantum gate)概念，开发出新型Rabi型"全局相位光谱"技术，利用对失谐敏感的Aharonov–Anandan全局相位实现量子放大。研究人员演示了在光学钟跃迁上进行的量子放大时间反演光谱，直接测得2.4(7) dB的计量增益和4.0(8) dB的激光噪声灵敏度改善。

该技术采用旋转回波(rotary echo)保护动力学免受光-原子耦合不均匀性的影响，并通过在两个核自旋态中进行对称相位编码实现激光噪声消除的差分测量。该方法不受测量分辨率限制，由于纠缠相互作用的全局特性而易于扩展，并对典型实验缺陷表现出高度韧性。

这项技术预计将广泛应用于下一代原子钟和其他接近基本量子精度极限的量子传感器，包括量子变分优化(quantum variational optimization)和量子去放大(quantum deamplification)等领域。