突破！碱土金属原子核自旋高维操控，量子科技再迎新里程碑

2025年6月16日，法国国家科学研究中心、奥地利科学院、索邦大学在《PRX Quantum》期刊上发表题为“Coherent Control Over the High-Dimensional Space of the Nuclear Spin of Alkaline-Earth Atoms”（碱土金属原子核自旋高维空间的相干操控）的研究论文。

在该文章中，研究人员首先展示了对超冷基态锶-87原子的核自由度的相干操控，从而提供了一套工具包，用于充分利用相应的大希尔伯特空间作为量子资源，以及用于具有su(N)对称性物质的量子模拟实验。

随后，通过利用张量光频移控制拉曼跃迁的共振条件，他们能够在2F+1=10个可能状态中的两个孤立自旋态构成的受限希尔伯特空间内执行旋转操作。这些操控对应于由su(N)代数生成元导出的幺正操作，超越了简单自旋进动所能实现的范围。研究人员展示了涉及一对孤立塞曼态的拉姆齐干涉仪，其在3秒后未观测到退相干。

最后，他们证明了通过在四个态上实现两种干涉仪方案，可以将大自旋自由度用作量子d比特（qudit）资源。第一种方案并行感知作用于原子的多个外场，第二种方案同时测量集体原子态的多个可观测量（包括非对易可观测量）。由su(2)群的自旋-F表示以外的其他生成元驱动的大自旋幺正变换工程，为量子计量学和量子多体物理提供了新的可能性，特别是对于使用费米型碱土原子对大自旋su(N)对称量子磁性的量子模拟。

研究背景

在量子科技的宏大版图中，对量子系统的精准操控是解锁量子计算、模拟、传感潜力的核心密码。然而，传统自旋操控受限于简单自旋进动，难以触及高维希尔伯特空间的“富矿”——碱土金属原子的核自旋，因具备大自旋量子数（如锶-87原子F=9/2），其高维空间蕴含的su(N)对称特性，为模拟复杂量子多体系统、突破经典计量极限提供了革命性资源。

但现实困境在于：

 l操控维度瓶颈：常规方法仅能实现低维自旋态操控，无法利用高维空间的丰富量子态；

l退相干难题：量子态易受环境干扰，长时相干存储与操作难以实现；

 l多场感知局限：传统传感技术无法并行、高精度测量多物理量，尤其对非对易可观测量的同步测量长期空白。

在此背景下，碱土金属原子核自旋高维空间的相干操控研究，成为突破量子科技应用壁垒的关键支点——它不仅能为su(N)对称量子模拟提供“工具箱”，更能为量子计量学开辟多参数、高精度传感的新路径。

研究方法

该研究以超冷基态锶-87（87Sr）原子为载体，构建“张量光频移控制+拉曼跃迁驱动+干涉仪测量”的完整实验体系，实现核自旋高维空间的精准“编程”。以下结合关键图示，拆解技术路径：

（一）张量光频移（TLS）：自旋态的“筛选器”

核心原理：利用π偏振光与原子相互作用，产生与m2F（塞曼投影量子数）成正比的能量偏移UTLS(mF)=qm2F，通过调控q值分离不同拉曼跃迁的共振条件，精准“筛选”目标自旋态，如图1所示。

（二）拉曼跃迁驱动：自旋态的“旋转器”

核心原理：通过两光子拉曼耦合，驱动特定塞曼态对发生Rabi振荡，实现自旋态的相干旋转。实验中，通过调控光场频率与强度，将操控保真度提升至99% 以上，如图2所示。

（三）干涉仪测量：量子态的“探针”

1.拉姆齐干涉仪：长时相干的“试金石”

实验设计：构建“态制备自由演化态探测”的拉姆齐干涉序列，验证核自旋量子叠加态的长寿命。实验中，无TLS场干扰时，相干时间超3秒（传统电子自旋相干时间仅毫秒级），如图3所示。

图1：TLS能量偏移示意图

图2：拉曼跃迁Rabi振荡曲线

图3：拉姆齐干涉信号图

2.多态干涉方案：多物理量的“扫描仪”

双路并行干涉（如图4所示）：利用两组独立自旋态对同步测量线性Zeeman移b（磁场线性效应）和二次张量移q（光场偏振/磁场梯度效应）。

四态非对易测量（如图5所示）：通过态映射,实现集体原子态非对易可观测量的同时测量。

图4：双路干涉原理与结果图

图5：四态干涉逻辑与误差图

研究成果

（一）高维自旋操控的“精度革命”

突破1：实现∆mF=1/2的非整数拉曼跃迁，操控保真度超99%——这意味着高维自旋态可像低维qubit一样被精准“翻转”；

突破2：核自旋相干时间超3秒，较电子自旋提升3个量级——为量子存储、长程量子通信提供新载体；

突破3：TLS能量偏移实现自旋态的“选择性激发”，将高维空间的“混乱态”转化为“可编程态”。

（二）多场感知的“维度拓展”

并行测量：双路干涉仪同步获取磁场与光场的多参数（b,q），测量效率提升1倍以上；

非对易突破：四态方案首次实现非对易可观测量的同时测量，为量子多体物理中的“互补量探测”提供实验手段；

精度极限：测量精度逼近海森堡极限（量子计量的理论精度天花板），部分参数（如q）的精度已超越经典方法1-2个量级。

（三）量子模拟的“工具箱”升级

通过操控su(N)代数生成元导出的幺正操作（如非整数自旋旋转），首次实现超越简单自旋进动的高维量子模拟：

 l 可模拟su(10)对称的量子多体系统（因2F+1=10），为研究量子磁性、高温超导机制等提供“原子级模拟器”；

 l 结合费米型碱土原子，有望探索大自旋su(N)对称量子磁性的全新相变与动力学行为。

展望与意义

该研究以碱土金属原子核自旋为“钥匙”，打开了高维量子空间的操控大门——从su(N)对称模拟的基础物理突破，到多参数传感的工程应用，再到量子计算维度的拓展，每一项成果都在重塑量子科技的边界。量子传感与计量技术的突破，将为半导体、航空航天、地质勘探等行业提供全新工具，加速量子科技与传统产业的融合。

未来，随着技术的迭代（如更高精度的光场控制、更大规模的原子阵列），碱土金属原子核自旋有望成为量子模拟的“主力战场”、量子计量的“精度标杆”。这场始于原子内部高维空间的探索，或将引领量子科技从实验室走向“改变世界”的新征程——而我们，正站在这场革命的起点。

参考链接

https://journals.aps.or/prxquantum/abstract/10.1103/PRXQuantum.6.020352