超越偶极跃迁：磁四极跃迁为光学原子钟带来全新机遇
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对时间测量精度的不断追求，驱使着物理学家们探索量子力学的奇妙领域。利用原子跃迁的固有稳定性，光学原子钟已成为最精确的计时工具。而在这个领域的最前沿，则是追求超窄线宽和长相干时间，这些特性转化为卓越的原子钟稳定性。 最近，发表在《物理评论快报》上的一项突破性研究，通过在锶原子中的磁四极跃迁中展示微赫兹级的长寿命相干性，精准地实现了这一目标。这一成就对光学原子钟和量子技术的未来具有重大意义。
这项研究报告了锶88原子基态（¹S₀）和亚稳态（³P₂）之间的跃迁，这种跃迁被归类为磁四极跃迁，因为它涉及原子磁形状的变化，而不是电子电荷分布的变化。传统上，光学原子钟由于其与光的耦合更强，而专注于电偶极跃迁。然而，磁四极跃迁由于其预测的超窄线宽，具有巨大的潜力。 研究人员采用了一种状态不敏感的光学晶格来限制锶原子，并实现了超过97%的异常激发分数。这种对原子集合的精细控制，最大限度地减少了外部噪声，并使他们能够观察到窄至58赫兹的线宽。线宽是相干时间的关键指标，为了进一步探究相干时间，研究团队使用 Ramsey光谱测量，这是一种用精确定时的激光脉冲操纵原子状态的技术。 这项技术揭示了14毫秒的相干时间，这已经相当令人印象深刻了。然而，研究人员并没有止步于此，他们采用了一种自旋回波序列，一种可以有效抵消某些类型噪声的复杂脉冲序列，将相干时间延长至惊人的266毫秒。这意味着编码在原子状态中的量子信息可以保持更长的时间，为更精确的钟测量铺平了道路。 这项研究最令人兴奋的成果之一，是确定了磁四极跃迁的自然线宽仅为24微赫兹。这一数值证实了长期的理论预测，并表明了这种跃迁固有的卓越稳定性。这为开发具有无与伦比精度的下一代光学原子钟打开了大门。 这项工作的意义远远超出了原子钟的范围。磁四极跃迁中实现的长寿命相干时间，使锶原子成为量子信息处理和量子模拟的极具吸引力的候选者。这些领域依赖于对量子比特的操纵，长相干时间对于保持量子信息的完整性至关重要。处于³P₂状态的锶原子，凭借其卓越的相干特性，可以作为可靠的量子比特，实现复杂量子算法和模拟的实现。 总而言之，新研究代表了原子物理学领域的重要飞跃。通过在磁四极跃迁中展示微赫兹级的长寿命相干性，他们为开发超精确光学原子钟和先进量子技术开辟了新途径。这项工作为计时精度达到前所未有的水平奠定了基础，并为新兴的量子计算和模拟领域开创了突破性进展的道路。 |
