自旋压缩态是量子多体系统中一类重要的非经典量子态，其特定方向上的量子噪声可低于标准量子极限，因此既是多体量子纠缠的重要见证，也是实现量子增强精密测量的重要资源。

传统自旋压缩理论通常基于全连接相互作用的集体自旋模型，可通过单轴扭曲（one-axis twisting，OAT）、双轴扭曲（two-axis twisting，TAT）等方案产生较强的自旋压缩。然而，里德堡原子阵列等可编程量子平台中自然存在随粒子间距离衰减的有限程相互作用，使集体自旋动力学与有限动量自旋波模式发生耦合，由此产生的非集体激发会限制自旋压缩性能。如何以实验上简洁可行的方式在有限程体系中获得更强、更稳定的自旋压缩，是量子多体动力学和量子精密测量中的重要问题。

近日，清华大学物理系尤力教授、郑盟锟教授研究团队与合作者围绕具有偶极相互作用的二维 XX 自旋模型，提出并实验实现了一种基于全局控制场的优化方案。该方案仅需施加空间均匀、随时间变化的横向全局控制场，即可显著增强有限程体系中的自旋压缩并延长其保持时间。研究团队进一步在二维里德堡原子阵列中实现了这一方案。

为了寻找适用于较大二维有限程体系的控制方案，研究团队采用转子—自旋波理论（rotor-spin-wave theory，RSW），将周期边界条件下的体系动力学分解为集体转子模式与有限动量自旋波模式，并进一步将该理论推广到实验中更加实际的开放边界条件。理论计算表明，优化后的全局控制场可显著增强并稳定自旋压缩，并在能够进行可靠数值验证的体系尺寸范围内超过传统双轴扭曲模型的压缩基准。不同数值方法与 RSW 理论结果符合良好（图1）。

图1：不同边界条件和系统尺寸下的最优自旋压缩理论结果。

进一步研究表明，尽管控制结构十分简洁，其作用同时涉及集体与非集体自由度。一方面，全局横向场能够主动调节并稳定集体自旋的压缩方向，减缓过度扭曲导致的压缩退化；另一方面，控制场还能抑制有限程相互作用产生的非集体自旋波激发，从而使体系在更长时间内保持较强的集体自旋压缩（图2）。

图2：全局控制增强和稳定自旋压缩的物理机制。

在理论研究基础上，研究团队进一步在二维里德堡原子阵列中对该控制方案进行了实验验证。实验采用6x6的 Rb87 原子阵列，通过两个里德堡态之间的共振偶极—偶极相互作用实现相互作用强度随原子间距离按1/r^3衰减的二维 XX 模型，并利用全局共振微波施加优化得到的横向控制场。实验结果显示，与无控制演化相比，最优控制能够保持更大的集体自旋长度，同时使横向自旋涨落在更长时间内维持在较低水平，从而获得更强且更长寿命的自旋压缩。实验中观测到超过 4 dB 的自旋压缩，并在较宽的时间窗口内保持较强压缩；实验结果与考虑实际实验不完美因素后的理论计算符合良好（图3）。

图3：二维里德堡原子阵列中的自旋压缩实验结果。

这项工作表明，简单的全局控制即可有效改善有限程量子多体体系中的自旋压缩，为里德堡原子阵列等可编程量子平台中高质量纠缠态的制备以及量子增强精密测量提供了新的思路。

研究成果以“Enhanced and Long-Lived Spin Squeezing in 2D Finite-Range Systems via Global Control Fields”为题，于2026年9月22日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。清华大学物理系2021级博士生李昂（已毕业）、2022级博士生华振兴为论文共同第一作者，清华大学物理系郑盟锟教授、海南大学吴玲娜教授和清华大学物理系尤力教授为论文通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、科技部物态调控重点专项以及合肥国家实验室2030项目等项目的支持。

文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/htbh-w6rx