虽然原子钟已经是宇宙中最精确的计时设备，但物理学家正在努力进一步提高其准确性。一种方法是利用时钟原子中的自旋压缩状态。

自旋压缩态是纠缠态，系统中的粒子共同抵消其固有的量子噪声。因此，这些状态为量子增强计量学提供了巨大的机会，因为它们允许更精确的测量。然而，几乎没有外部噪声的所需光学跃迁中的自旋压缩态很难准备和维持。

产生自旋压缩状态或压缩的一种特殊方法是将时钟原子放入光学腔中，光学腔是一组镜子，光可以在其中来回反射多次。在空腔中，原子可以同步其光子发射，并发射出比任何一个原子单独发出的光都要亮得多的光，这种现象被称为超辐射。根据超辐射的使用方式，它可能会导致纠缠，或者相反，它可能会破坏所需的量子态。

在之前的一项研究中，JILA和NIST研究员AnaMariaRey和JamesThompson合作完成，研究人员发现多能级原子(具有两个以上的内部能态)通过诱导原子抵消彼此的排放并保持黑暗。

现在，在《物理评论快报》和《物理评论A》上发表的两篇新论文中报道，雷伊和她的团队发现了一种方法，不仅可以在空腔中创建暗态，而且更重要的是，使这些状态旋转挤压。他们的发现可能为生成纠缠时钟提供非凡的机会，从而以一种令人着迷的方式推动量子计量学的前沿。

乘坐超辐射过山车进入黑暗状态

多年来，雷伊和她的团队一直在研究通过在空腔内形成暗态来利用超辐射的可能性。由于暗态是独特的配置，通常的光发射路径会发生破坏性干扰，因此这些状态不发光。雷伊和她的团队已经证明，当在某些初始状态下制备的原子被放置在空腔内时，可以实现暗态。

以这种方式制备的量子态可以保持不受超辐射或光发射到腔中的影响。原子仍然可以在腔外发光，但发光速度比超辐射慢得多。

前JILA博士后研究员AsierPiñeiroOrioli是Thompson之前研究的首席研究员，也是最近发表的两项研究的贡献者，他发现了一种简单的方法来理解空腔中暗态的出现，他们称之为超辐射潜力。

雷伊说：“我们可以将超辐射势想象成原子乘坐的过山车。当它们从山上掉下来时，它们会集体发光，但当它们到达山谷时，它们可能会被卡住。在山谷处，原子形成了黑暗状态并停止向腔体发射光。”

在之前与Thompson的合作中，JILA研究人员发现暗态肯定至少有一点纠缠。

“我们在这两部新作品中想要解决的问题是它们是否可以既黑暗又高度纠缠，”第一作者、前JILA博士后研究员BhuvaneshSundar解释道。“令人兴奋的是，我们不仅发现答案是肯定的，而且这些类型的压缩状态准备起来相当简单。”

“鞍点是势能同时具有零曲率和零斜率的山谷，”雷伊解释道。“这些都是特殊点，因为原子是暗的，但处于变得不稳定的边缘，因此往往会重塑它们的噪声分布，使其变得被挤压。”

另一种提出的方​​法涉及将超辐射态转变为暗态。在这里，研究小组还发现了其他特殊点，其中原子靠近特殊的“明亮”点——不是在过山车的山谷，而是在曲率为零的点——在那里超辐射和外部激光之间的相互作用产生自旋挤压。

“巧妙的是，在这些亮点处产生的自旋挤压可以转移到暗状态，在适当的对准之后，我们可以关闭激光并保留挤压，”桑达尔补充道。

这种转移的工作原理是，首先将原子驱动到超辐射势的谷中，然后使用具有适当偏振(或光振荡方向)的激光来一致地对齐压缩方向，使压缩状态不受超辐射的影响。

压缩态向暗态的转变不仅保留了压缩态的降低噪声特性，而且还确保了它们在没有外部激光驱动的情况下的生存，这是量子计量实际应用的关键因素。

虽然发表在《物理评论快报》上的研究仅使用激光的一种偏振来引发自旋挤压，产生两种挤压模式，但《物理评论A》论文通过使用激光的两种偏振进一步进行了这种模拟，产生了四种自旋挤压模式(每个偏振有两种模式)。

“在这两篇论文中，我们考虑了具有许多内部能级的多能级原子，”PiñeiroOrioli说，“具有许多内部能级比文献中经常研究的两个能级更难模拟。因此，我们开发了一组解决这些多级系统的工具。我们制定了一个公式来计算从初始状态产生的纠缠。”

这些研究的结果可能对原子钟产生深远的影响。通过生成暗纠缠态来克服超辐射的局限性，物理学家要么使用原子作为存储器来存储纠缠态(允许从这些状态检索信息)，要么将纠缠态注入到时钟或干涉仪序列中以实现量子-增强的测量。

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