beat365官方网站現代光學研究所、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、納光電子前沿科學中心“極端光學創新研究團隊”劉運全教授、何瓊毅教授等人，基于自由電子與超快光場的相互作用，提出了制備與調控光學貓态的新方案。相關研究成果以“基于自由電子-光子多通道相互作用的量子幹涉效應制備光學貓态”(Generating optical cat states via quantum interference of multi-path free-electron–photons interactions)為題發表在《科學通報》(Science Bulletin)上。

“薛定谔的貓”是由奧地利物理學家薛定谔于1935年提出的将貓置于“生死疊加”狀态的著名思想實驗。當一個物理系統的量子态處于兩種宏觀可區分狀态的量子疊加時，通常稱該系統處于薛定谔貓态。光學薛定谔貓态作為一種重要的量子資源，在研究經典與量子的邊界、量子計算和量子精密測量等領域具有重要應用。然而，現階段實驗上制備的光學薛定谔貓态的光子數普遍較少，如何實現大光子數的薛定谔貓态是目前亟待解決的科學問題。

随着電子顯微鏡技術的發展，尤其是光子誘導近場電子顯微(photon-induced near-field electron microscopy, PINEM)現象發現以來，使得人們利用自由電子與超快光場間的相互作用實現對大光子數量子态的調控成為可能。利用自由電子與超快光場之間的強耦合相互作用，可以制備電子與光子之間的量子糾纏以及實現激光驅動自由電子的量子行走等，為量子光學和強場物理的交叉研究提供了新的物理平台。

圖1基于自由電子與超快光場相互作用實現光學貓态制備的原理示意圖。

基于對PINEM系統中自由電子與超快光場相互作用的深入研究，劉運全課題組和何瓊毅課題組合作提出了一種實現光學貓态制備與調控的理論新方案。利用自由電子與光子之間的強耦合相互作用，自由電子可以等效地吸收或放出多個光子，從而形成多條不同的量子通道。在弱耦合時，光場中的光子數遠遠大于電子等效吸收或放出的光子數，單條量子通道對光場量子态的影響幾乎可忽略。在強耦合條件下，由于多條量子通道之間存在量子幹涉，使得輸出光場的量子态受到調制，從而可以實現光學薛定谔貓态的制備，如圖1所示。

通過改變自由電子與光子間的耦合強度，研究團隊發現可以利用輸出光場量子态的Wigner負性，刻畫自由電子與超快光場相互作用中的幹涉效應。如圖2所示，輸出光場量子态的Wigner負性随耦合強度的增加而發生振蕩，出現類幹涉條紋的現象。由于Wigner負性反映的是輸出光場的非經典性質，這意味着利用量子通道之間的相幹相長，可極大地增強輸出光場的非經典性質。研究發現，當Wigner負性達到振蕩峰值的時候，輸出光場将坍縮為薛定谔貓态，其保真度可達到0.99以上，由此可實現高保真大光子數的貓态制備。

圖2輸出光場量子态的Wigner負性δ随耦合強度|ց|的增加而發生振蕩，并在耦合強度較大時達到飽和。當Wigner負性達到峰值處時，可實現高保真光學貓态的制備。

beat365官方网站現代光學研究所孫風潇副研究員為論文第一作者，劉運全和何瓊毅為該論文共同通訊作者。研究工作得到了國家自然科學基金委、科技部、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、量子物質科學協同創新中心和極端光學協同創新中心等的支持。

論文原文鍊接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927323003766?via%3Dihub