研究人员展示了在创纪录的精度水平上直接比较自旋挤压的光学晶格时钟
发布时间：2023-06-16 08:00:00 阅读数： 82
博尔德JILA的光学晶格时钟。资料来源：JILA
尽管今天最好的光学原子钟可以用来进行极其精确的测量，但它们仍然受到来自它们询问的许多原子的自旋统计的噪声的限制，即所谓的量子投影噪声（QPN）。但是，通过利用这些系统的真正量子性质，有可能将原子样本缠绕起来，以规避这种QPN限制。
现在，研究人员已经报告了第一个在经典QPN极限以下运行的光学晶格时钟的直接观察结果，平均到10-17的测量精度水平。
来自科罗拉多大学博尔德分校和国家标准与技术研究所的联合研究所JILA的Maya Miklos将在Optica量子2.0会议和展览上介绍这项研究，该会议将于6月18日至22日在科罗拉多州丹佛市作为混合活动举行。
"提高光晶格时钟的频率稳定性，既能推动一大批实际应用，又能为探索基础物理学打开新的大门。例如，GPS的工作原理是根据从遥远的卫星上反弹信号所需的时间来确定你的位置；改进计时直接转化为对位置的更好认识，"JILA的研究员Maya Miklos解释说。
"现在，这些最好的时钟都使用了非交互式原子的大样本--当我们测量这些原子的量子状态以提取有关时钟频率的信息时，每个原子都被'投射'到一个离散的状态，为频率测量贡献了所谓的'量子投射噪声'。"
"改进这些时钟的一种方法是它利用纠缠的量子特性来减少集体集合的投影噪声。在这项工作中，我们展示了迄今为止自旋挤压时钟的最佳稳定性，使我们离使自旋挤压在最先进的光学晶格时钟中实用化又近了一步。"
量子计量学解决了类似原子系统的离散或量化的能量水平，以设定可用于其他高精度研究的频率标准，甚至用于定义测量单位，如秒。由于其精确性，光学晶格钟在许多应用中推动了量子计量学。
在新的工作中，研究人员在一个光学晶格时钟中准备了自旋挤压原子，以实现更好的精度。尽管原理验证实验已经在光学时钟转换中产生了挤压，并在减去噪声后推断出了亚QPN操作，但这是第一次直接观察到光学晶格时钟在QPN极限以下运行。
为了完成这一壮举，研究人员建造了一个装置，将一个垂直的一维锶光学晶格钟与一个提供强集体耦合的光腔结合起来。这使得通过腔体介导的量子非去势测量实现原子挤压。一个传送带式的晶格允许独立的子电子束被传送到空腔中以产生不同的自旋挤压样品，同时一个最先进的时钟激光器同时询问整个原子云。
然后，研究人员在一个锶光学晶格时钟中对两个自旋挤压集合体进行了自我同步的时钟比较。他们能够直接测量出超出该系统投影噪声极限的2.0(3)dB的计量增益，其精度平均到10-17的水平。这代表着通过自旋挤压改善最先进的光格子钟的一个重要步骤。
这个实验的未来工作将进一步控制我们晶格内的原子运动，以提高旋转的保真度和与空腔的集体耦合度。这些技术改进将导致更好的时钟稳定性和更少的原子集合退相干。
相关研究也发表在arXiv预印本服务器上。
参考资料
John M Robinson et al, Direct comparison of two spin squeezed optical clocks below the quantum projection noise limit, arXiv (2022). DOI: 10.48550/arxiv.2211.08621
