量子压缩态在量子精密测量、量子计算以及量子通信等领域有着重要的应用价值。目前，制备各种“物质形态”的压缩态已成为量子光学与量子信息研究的前沿焦点。然而，迄今为止，绝大多数理论与实验研究都围绕单一物质形态的压缩态制备展开，鲜有探索涉及多种物质形态压缩态的同时产生，如何在同一个实验中同时制备多种物质形态的压缩态是一个充满挑战且极为复杂的课题。

本研究提出了一种十分创新的方法，通过利用一种具有高度对称性的光与原子相互作用哈密顿量，在同一原子系综中（包含有千亿级别铷原子）同时实现激光光场与原子自旋的压缩。为了构造这种特殊形式的哈密顿量，研究团队采用了一种独特的闪频技术，即将长脉冲探测激光劈裂成许许多多个在时域上等间距的短脉冲激光信号。通过这样操作，可激发出众多频率不同的Stokes与反Stokes光子，利用所激发出的Stokes光子作为媒介桥接不同的铷原子，从而形成原子间的量子纠缠，产生自旋压缩；与此同时，拉曼过程中所形成的光与原子间的量子纠缠，在原子集体辐射效应的作用下可转化成为光子间的纠缠，由此实现光压缩。上述两个量子过程是并行且等概率的，因此能够同时形成光与原子的压缩（如图1所示）。

图1. （a）光和原子同时压缩实验设置示意图；

（b）上：光场脉冲设置示意图；下：实现光和原子同时压缩的原理示意图；

（c）光和原子同时压缩的热库物理图像解释示意图。

图2. (a) 原子自旋压缩度与脉冲占空比的关系图（占空比是指单个小脉冲长度与频闪周期的比值）；

(b) 光场压缩度与占空比关系图，上紫色线：表示探测光光强与左图中的相同，下绿色线：表示单独优化探测光光强得到的最佳光压缩度。

光和原子自旋压缩的压缩程度通常用压缩度来衡量，压缩度小于1表示存在着自旋压缩。在图2中，我们展示了实验结果：当占空比d=0.08时，原子自旋压缩的压缩度约为0.61dB，此时光的压缩度约为0.65dB。这表明我们在实验上成功实现了光和原子的同时压缩。我们所产生的光和原子同时压缩有着广阔的应用前景，例如，可提高量子精密测量的测量精度、进一步增强原子自旋压缩的压缩度等，甚至在构建量子网络节点间的纠缠时也可能具有一定的应用潜力。在热原子系综中（本实验中原子体系的温度约为53.5摄氏度）制备非经典态存在着很大的困难，原子的自发辐射和热运动碰撞等随机过程都可能引入额外的噪声，从而降低体系的压缩度。这项研究历时4年，经过不懈努力，我们才首次在实验中观察到了光和原子同时压缩的现象。这一成果是继2020年在顶级期刊《Nature》上发表的研究工作 “Spin squeezing of 10^11 atoms by prediction and retrodiction measurements”（https://doi.org/10.1038/s41586-020-2243-7，王明锋副教授也参与了该研究）之后，在热原子研究领域的又一次重要的突破。

相关研究结果以题“Concurrent Spin Squeezing and Light Squeezing in an Atomic Ensemble”发表于近期的《Physical Review Letters》，我校太阳集团tyc539王明锋副教授和山西大学肖艳红教授为论文共同通讯作者，博士生金沈超为论文的第一作者，山西大学贾锁堂教授、肖连团教授为该工作提供了重要指导，山西大学光电研究所申恒教授参与了研究。该工作得到了科技创新2030重大项目、国家自然科学基金、科技部重点研发计划、量子光学与光量子器件国家重点实验室以及省部共建极端光学协同创新中心的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.173604