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高精度测量对检验自然基本定律和推动技术前沿意义重大。研究人员开展时钟干涉测量研究，利用内部量子态实现几何相位（GP）放大。结果显示，测量外场小差时灵敏度提升 8.8 分贝，高原子通量下有望提升数十分贝，为基础物理和传感应用带来新可能。
在科学探索的道路上，高精度测量就像一把精准的钥匙，能打开自然基本定律的大门，推动技术不断向前发展。在微观的量子世界与宏观的宇宙规律交织之处，物质波干涉测量作为重要手段，在探测引力信号、检验量子叠加原理等方面发挥着关键作用。然而，传统的物质波干涉测量面临着诸多挑战，实验过程中的各种操作会引入噪声，使得测量灵敏度难以突破标准量子极限（SQL） ，就像给精准测量蒙上了一层 “迷雾”，阻碍了进一步探索微观世界和验证物理理论的脚步。
为了驱散这层 “迷雾”，来自未知研究机构的研究人员踏上了探索之旅。他们聚焦于时钟干涉测量领域，开展了一项极具创新性的研究。研究人员巧妙地利用了两能级原子物质波的内部结构和几何相位（GP）响应的陡峭变化，通过精心设计实验，成功实现了在时钟干涉仪中利用几何相位放大来提升计量精度的目标。这项研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上，为该领域的发展带来了新的曙光。
在研究方法上，研究人员主要采用了以下关键技术：首先，制备了铷 - 87 原子的 Bose-Einstein 凝聚体（BEC） ，并利用 Stern-Gerlach 型光束分离器技术将波包分裂。接着，通过施加射频（RF）脉冲来驱动原子的内部状态变化，使其形成内部超叠加态。之后，施加磁场梯度，让不同的波包在不同磁场下演化。最后，通过对干涉图案的拟合来提取可见度和相位，以此来分析实验结果。
下面来看具体的研究结果：
- 模型：研究人员详细描述了所使用的物质波干涉测量方案。在实验中，他们先将系统制备成两个空间分离的波包 A 和 B 的叠加态，并通过 RF 场将其内部初始化为合适的两能级叠加态。施加磁场梯度后，每个波包因与磁场的不同耦合而积累不同相位。通过一系列数学推导，得到了描述波包的波函数以及干涉图案的表达式。在特定条件下，如当 ? = ?2 - ?1 = π + ε（ε ? 1）且 θ ≈ π/2 时，信号会得到增强，干涉可见度 v 会接近零。为使系统达到最佳工作点，还需引入 π 相位偏移。
- GP 放大机制与测量精度提升：在低可见度区域，虽然传统观念认为干涉测量可能不切实际，但研究发现，当满足特定条件，即 ? 接近 π 且 θ 接近 π/2 但不等于 π/2 时，相位响应会被放大，同时技术噪声不会成比例增加，从而有效抑制了技术噪声对干涉测量灵敏度的负面影响。这一发现打破了传统认知，为提升测量精度开辟了新途径。
- 实验方案：研究人员详细介绍了实验流程。从制备 BEC 开始，依次进行波包分裂、内部状态初始化、施加磁场梯度以及通过飞行时间扩展使波包重叠，进而提取可见度和相位。通过对实验过程中原子状态在 Bloch 球上的演化分析，解释了相位放大的原理，即测量的相位由 GP 和动态相位（DP）组成，GP 遵循测地线规则，当满足一定条件时会出现几何 π 相位变化，实现相位放大。
- 放大相移的观测与灵敏度提升：实验结果令人振奋。研究人员观察到在特定的原子态分布下，干涉相位会出现快速变化，相比传统的单态干涉测量，测量灵敏度提升了 8.8 分贝。通过去除 DP 分离出 GP，进一步展示了相位放大的几何特性。同时，研究还分析了相位测量噪声与 ? 的关系，明确了测量不确定性的组成部分，即量子噪声和技术噪声。
- 与理论预测的比较：研究人员将实验结果与理论预测进行对比，发现理论预测与实验数据基本相符。在不同的原子态分布和相对旋转条件下，计算得到的计量增益与实验测量值相近。同时，研究还探讨了原子通量对计量增益的影响，预计在高原子通量下，计量增益将显著提高，最高可达数十分贝。
在研究结论与讨论部分，研究人员指出，利用具有内部自由度的物质波进行原子干涉测量（即时钟干涉测量）在计量学上具有显著优势。这种优势源于非循环演化产生的 GP 放大，它能在不伴随噪声成比例增加的情况下实现陡峭的相位响应。实验中实现的 8.8 分贝计量改进只是一个开始，通过增加原子通量和调整内部状态比例，有望实现数十分贝的灵敏度提升。这一研究成果为物质波传感能力的提升提供了新的方向，在基础物理研究方面，有助于探索广义相对论与量子力学的相互作用，甚至可能用于测试一些新奇的概念，如时间的离散性。此外，该方法还可与其他量子噪声降低技术（如自旋压缩）相结合，进一步拓展其应用范围。
综上所述，这项研究成功实现了时钟干涉仪中的几何相位放大，有效提升了计量精度，为基础物理研究和高性能传感器的开发提供了新的有力工具，在生命科学和健康医学领域的相关测量技术发展中也具有潜在的应用价值，为后续的研究和应用开辟了广阔的道路。
