Obwohl die besten optischen Atomuhren von heute für äußerst präzise Messungen verwendet werden können, sind sie immer noch durch das Rauschen der Spinstatistik der vielen Atome, die sie abfragen, begrenzt, das als Quantenprojektionsrauschen (QPN) bekannt ist. Durch Ausnutzung der echten Quantennatur dieser Systeme ist es jedoch möglich, die Atomprobe zu verschränken, um diese QPN-Grenze zu umgehen.
Jetzt haben Forscher über die ersten direkten Beobachtungen einer optischen Gitteruhr berichtet, die unterhalb der klassischen QPN-Grenze arbeitet und eine durchschnittliche Messgenauigkeit von 10–17 erreicht.
Maya Miklos von JILA, einem gemeinsamen Institut der University of Colorado Boulder und des National Institute of Standards & Technology, wird diese Forschung auf der Optica Quantum 2.0 Conference and Exhibition vorstellen, die als Hybridveranstaltung vom 18. bis 22. Juni in Denver stattfinden wird , Colorado.
„Die Verbesserung der Frequenzstabilität optischer Gitteruhren bringt eine ganze Reihe praktischer Anwendungen voran und öffnet neue Türen zur Erforschung grundlegender Physik. Beispielsweise trianguliert GPS Ihre Position basierend darauf, wie lange es dauert, Signale von entfernten Satelliten zu reflektieren; verbessert.“ Zeitmessung führt direkt zu einer besseren Kenntnis des Standorts“, erklärt die Forscherin Maya Miklos, JILA.
„Im Moment verwenden diese besten Uhren alle große Proben nicht wechselwirkender Atome. Wenn wir den Quantenzustand dieser Atome messen, um Informationen über die Taktfrequenz zu extrahieren, wird jedes Atom in einen diskreten Zustand „projiziert“ und trägt so zum sogenannten „ „Quantenprojektionsrauschen“ zu Frequenzmessungen.“
„Ein Ansatz zur Verbesserung dieser Uhren besteht darin, die Quanteneigenschaft der Verschränkung zu nutzen, um das Projektionsrauschen des kollektiven Ensembles zu reduzieren. In dieser Arbeit haben wir die bisher beste Stabilität einer Spin-gequetschten Uhr demonstriert und uns damit einen Schritt weitergebracht.“ näher daran, Spin-Squeezing für hochmoderne optische Gitteruhren praktisch zu machen.“
Die Quantenmetrologie befasst sich mit den diskreten oder quantisierten Energieniveaus atomähnlicher Systeme, um Frequenzstandards festzulegen, die für andere hochpräzise Forschungen oder sogar zur Definition von Maßeinheiten wie der Sekunde verwendet werden können. Dank ihrer Präzision haben optische Gitteruhren die Quantenmetrologie in vielen Anwendungen vorangebracht.
In der neuen Arbeit präparierten die Forscher spingequetschte Atome in einer optischen Gitteruhr, um eine verbesserte Präzision zu erreichen. Obwohl Proof-of-Principle-Experimente zu einem Squeezeing bei optischen Taktübergängen geführt und nach Subtraktion des Rauschens auf einen Sub-QPN-Betrieb geschlossen haben, ist dies das erste Mal, dass direkt beobachtet wurde, dass ein optischer Gittertakt unterhalb der QPN-Grenze arbeitet.
Um dieses Kunststück zu vollbringen, konstruierten die Forscher einen Apparat, der eine vertikale eindimensionale optische Strontium-Gitteruhr mit einem optischen Hohlraum kombinierte, der für eine starke kollektive Kopplung sorgt. Dies ermöglichte das Zusammendrücken von Atomen durch hohlraumvermittelte Quantenzerstörungsmessungen. Ein Förderbandgitter ermöglichte den Transport unabhängiger Untergruppen in den Hohlraum, um unterschiedliche Spin-Squeeze-Proben zu erzeugen, während ein hochmoderner Taktlaser gleichzeitig die gesamte Atomwolke abfragte.
Anschließend führten die Forscher einen selbstsynchronen Uhrenvergleich zwischen zwei Spin-Squeezing-Ensembles in einer optischen Strontium-Gitteruhr durch. Sie waren in der Lage, 2,0(3) dB messtechnischen Gewinn jenseits der Projektionsrauschgrenze für dieses System direkt zu messen, mit einer Präzision, die im Mittel bis zum 10-17-Niveau reichte. Dies stellt einen großen Schritt zur Verbesserung modernster optischer Gitteruhren durch Spin-Squeezing dar.
Zukünftige Arbeiten an diesem Experiment werden die Atombewegung innerhalb unseres Gitters weiter steuern, um die Rotationstreue und die kollektive Kopplung an den Hohlraum zu verbessern. Diese technischen Verbesserungen werden zu einer besseren Taktstabilität und einer geringeren Dekohärenz des Atomensembles führen.
Verwandte Forschungsergebnisse werden auch auf der veröffentlicht arXiv Preprint-Server.
Mehr Informationen:
Konferenz: www.optica.org/events/topical_meetings/quantum/
John M. Robinson et al., Direkter Vergleich zweier spingequetschter optischer Uhren unterhalb der Grenze des Quantenprojektionsrauschens, arXiv (2022). DOI: 10.48550/arxiv.2211.08621