С рекордным уровнем точности продемонстрировано прямое сравнение часов на оптической решетке со сжатым спином
Хотя лучшие на сегодняшний день оптические атомные часы могут использоваться для проведения чрезвычайно точных измерений, они по-прежнему ограничены шумом от статистики вращения многих атомов, которые они опрашивают, известным как квантовый проекционный шум (QPN). Но, используя истинно квантовую природу этих систем, можно запутать атомный образец, чтобы обойти этот предел QPN. Теперь исследователи сообщили о первых прямых наблюдениях часов на оптической решетке, работающих ниже классического предела QPN, с усреднённым уровнем точности измерения до 17 порядков! Соответствующее исследование также опубликовано на сервере препринтов arXiv.
Оптические решетчатые часы в JILA, Боулдер.
Майя Миклош из JILA, совместного института Университета Колорадо в Боулдере и Национального института стандартов и технологий, представит это исследование на конференции и выставке Optica Quantum 2.0, которая пройдет как гибридное мероприятие 18-22 июня в Денвере. , Колорадо.
«Улучшение стабильности частоты часов на оптической решетке открывает целый ряд практических приложений и открывает новые возможности для изучения фундаментальной физики. Например, GPS работает путем триангуляции вашего положения на основе того, сколько времени требуется для отражения сигналов от удаленных спутников; хронометраж напрямую способствует лучшему знанию местоположения», — объясняет исследователь Майя Миклош из JILA.
«Сейчас все эти лучшие часы используют большие выборки невзаимодействующих атомов — когда мы измеряем квантовое состояние этих атомов для извлечения информации о тактовой частоте, каждый атом «проецируется» в дискретное состояние, внося свой вклад в так называемое «квантовый проекционный шум в частотные измерения».
«Один из подходов к улучшению этих часов состоит в том, чтобы использовать квантовую особенность запутанности для уменьшения проекционного шума коллективного ансамбля, чтобы сделать сжатие спина практичным для современных часов на оптической решетке».
Квантовая метрология обращается к дискретным или квантованным уровням энергии атомоподобных систем, чтобы установить стандарты частоты, которые можно использовать для других высокоточных исследований или даже для определения единиц измерения, таких как секунда. Благодаря своей точности часы на оптической решетке имеют передовые возможности квантовой метрологии во многих приложениях.
В новой работе исследователи подготовили атомы со сжатым спином в часах на оптической решетке для повышения точности. Хотя экспериментальные эксперименты показали сжатие на переходах оптических часов и сделали вывод о работе суб-QPN после вычитания шума, это первый случай, когда непосредственно наблюдалось, что часы на оптической решетке работают ниже предела QPN.
Чтобы совершить этот подвиг, исследователи сконструировали устройство, которое объединило вертикальные одномерные часы на оптической решетке стронция с оптическим резонатором, обеспечивающим сильную коллективную связь. Это позволило сжать атом с помощью квантовых измерений без разрушения, опосредованных полостью. Конвейерная решетка позволяла перемещать независимые подгруппы в полость для создания отдельных образцов, сжатых вращением, в то время как современный часовой лазер одновременно опрашивал все атомное облако.
Затем исследователи провели сравнение самосинхронных часов между двумя ансамблями со сжатым спином в часах на оптической решетке стронция. Они смогли непосредственно измерить метрологическое усиление на 2,0(3) дБ сверх предела проекционного шума для этой системы с усреднением точности до уровня 10 −17 . Это представляет собой важный шаг к совершенствованию современных часов на оптической решетке за счет сжатия спина.
Будущая работа над этим экспериментом позволит дополнительно контролировать движение атомов в нашей решетке, чтобы улучшить точность вращения и коллективную связь с полостью. Эти технические усовершенствования приведут к большей стабильности часов и меньшей декогерентности ансамбля атомов.
