基于超冷原子体系的量子精密测量在重力测量，地球自转速度测量，等效原理检测，引力波探测，导航以及暗物质发现等方面具有广泛应用。超冷原子作为一种环境纯净且容易操控的多体量子系统，具有稳定的量子相干性和高度的可调节性，且具有较长的相干时间。基于超冷原子实现超越标准量子极限的更高测量精度的非线性原子干涉仪成为了量子精密测量领域前沿趋势之一。然而，在实际测量中，实验上的探测噪声限制，以及原子内部损耗带的退相干效应等，都会降低非线性原子干涉仪的灵敏度。

针对上述问题，我院量子精密测量团队提出了基于光学腔的自旋为1的旋量玻色-爱因斯坦凝聚体非线性干涉仪，利用旋量凝聚体的自旋交换相互作用和系统内禀周期自旋混合动力学，实现非线性原子干涉仪的分束与合束，并研究了编码相位、分束与合束时间对干涉仪灵敏度的影响，利用腔-原子的非线性效应，实现光学腔协助的灵敏度增强的非线性原子干涉仪。

图1.(a)基于自旋混合周期动力学的干涉仪模型和(b)装置图。

图2. 灵敏度随干涉仪分束与合束时间的变化。

针对探测噪声限制等问题，提出了利用时间反演模型实现信号放大代替减小噪声的方案，利用光学腔诱导的非线性相互作用，可以在半经典相空间形成鞍点，研究鞍点附近指数增长的量子置乱动力学，通过量子信息置乱实现量子传感的增强。该研究还利用时序关联函数来判定体系的动力学相变，将量子精密测量与量子信息两个领域结合，分析其内在关联。

图3.(a)基于时间反演模型的量子传感。(b)不同阶段态的动力学演化。(c)信号放大增益和噪声随时间的变化。

相关成果分别以“Cavity-enhanced metrology in an atomic spin-1 Bose-Einstein condensate”和“Improving metrology with quantum scrambling in a spin-1 Bose-Einstein condensate coupled to a cavity”为题发表在《Frontiers of Physics》（19，32204 (2024)）和《Optics Express》（32，25207 (2024））上。在这两项工作中，合肥工业大学为第一单位，物理系郑任菲博士为第一作者，通讯作者为华东师范大学周鲁副研究员，其他主要作者为陈冰教授和于志飞博士。该工作得到了国家自然科学基金和合肥工业大学中央高校基本科研业务费等项目的资助。

文章链接：https://doi.org/10.1007/s11467-023-1372-5;

                 https://doi.org/10.1364/OE.527465.

郑任菲/图、文   高伟清/审核