Historiskt sett har JILA (ett gemensamt institut etablerat av National Institute of Standards and Technology [NIST] och University of Colorado Boulder) varit världsledande inom precisionstidtagning med optiska atomur. Dessa klockor utnyttjar atomernas inneboende egenskaper för att mäta tid med oöverträffad precision och noggrannhet, vilket representerar ett betydande steg i vår strävan att kvantifiera de mest svårfångade dimensionerna:tid.
Precisionen hos dessa klockor har dock grundläggande begränsningar, inklusive "brusgolvet", som påverkas av "kvantprojektionsbruset" (QPN). "Detta kommer från spin-statistiken för de individuella qubitarna, den verkliga kvantnaturen hos de atomer som undersöks", utarbetade JILA-studenten Maya Miklos.
Toppmoderna klockjämförelser, som de som regisserats av JILA och NIST Fellow Jun Ye, pressar sig allt närmare denna grundläggande bullergräns. Denna gräns kan dock kringgås genom att generera kvantintrassling i atomproverna, vilket ökar deras stabilitet.
Nu har Yes team, i samarbete med JILA Fellow James K. Thompson, använt en specifik process känd som spin squeezing för att generera kvantentanglement, vilket resulterar i en förbättring av klockprestanda som arbetar vid 10 -17 stabilitetsnivå. Deras nya experimentella upplägg, publicerade i Nature Physics , gjorde det också möjligt för forskarna att direkt jämföra två oberoende spinnpressade ensembler för att förstå denna precisionsnivå vid tidsmätning, en nivå som aldrig tidigare nåtts med en spinnpressad optisk gitterklocka.
Utvecklingen av dessa förbättrade optiska atomklockor har långtgående konsekvenser. Utöver tidsmätningen har de potentiella fördelar för användning i olika vetenskapliga utforskningar, inklusive att testa grundläggande fysikprinciper, förbättra navigeringstekniken och möjligen bidra till att detektera gravitationsvågor.
"Att förbättra den optiska klockprestandan upp till och bortom de grundläggande gränserna som naturen sätter är redan en intressant vetenskaplig strävan", förklarade JILA-studenten John Robinson, tidningens första författare. "När man tänker på vilken fysik man kan avslöja med den förbättrade känsligheten, målar det upp en mycket spännande bild för framtiden."
Optiska atomklockor fungerar inte genom kugghjul och pendlar utan genom de orkestrerade rytmerna mellan atomer och excitationslaser.
QPN utgör ett grundläggande hinder för precisionen hos dessa klockor. Detta fenomen uppstår från den inneboende osäkerheten som finns i kvantsystem. I samband med optiska atomklockor manifesterar QPN sig som en subtil men genomgripande störning som liknar ett bakgrundsljud som kan skymma tydligheten i tidsmätning.
"Eftersom varje gång du mäter ett kvanttillstånd projiceras det till en diskret energinivå, bruset i samband med dessa mätningar ser ut som att vända en massa mynt och räkna om de dyker upp som huvuden eller svansar", sa Miklos.
"Så, du får denna lag-om-stora-tal-skalning där precisionen i din mätning ökar med kvadratroten av N, ditt atomnummer. Ju fler atomer du lägger till, desto bättre är stabiliteten på din klocka. Däremot finns det är gränser för det eftersom, efter vissa densiteter, kan du ha täthetsberoende interaktionsförskjutningar, som försämrar din klockstabilitet."
Det finns också praktiska gränser för det antal atomer som kan uppnås i en klocka. Emellertid kan intrassling användas som en kvantresurs för att kringgå detta projektionsbrus. Miklos tillade, "Den kvadratroten av N-skalning gäller om dessa partiklar är okorrelerade. Om du kan generera intrassling i ditt prov kan du nå en optimal skalning som ökar med N istället."
För att möta utmaningen från QPN använde forskarna en teknik som kallas spinnklämning. I denna process justeras atomernas kvanttillstånd noggrant. Även om osäkerheterna i en kvantmätning alltid följer Heisenbergs osäkerhetsprincip, "kläms" dessa spins genom exakta ingrepp, vilket minskar osäkerheten i en riktning samtidigt som den ökar i en annan.
Att realisera spinnklämning i optiska klockor är en relativt ny bedrift, men på liknande sätt intrasslade resurser som klämt ljus har använts inom andra områden. "LIGO [Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory] använde redan klämning av vakuumtillstånd för att förbättra sina mätningar av interferometerlängder för gravitationsvågdetektering," förklarade JILA-studenten Yee Ming Tso.
För att uppnå spin-squeezing skapade teamet en ny laboratorieuppsättning bestående av ett vertikalt, 1D-rörligt gitter som skär en optisk kavitet (en resonator som består av två speglar) längs den horisontella riktningen. Forskarna använde laserstrålarna i gittret för att flytta atomensemblerna upp och ner i hela gittret som en hiss, med några grupper av atomer, eller underensembler, som kommer in i kaviteten.
Detta projekt inspirerades av ett nyligen genomfört samarbete mellan Ye-forskargruppen och JILA Fellow Adam Kaufman, som också hade utforskat spin-squeezing i andra laboratorieuppsättningar.
"Fram till denna tidpunkt hade spin-squeezing i optiska klockor endast implementerats i proof-of-principe-experiment, där bruset från klocklasern skymmer signalen," sa Robinson.
"Vi ville observera den positiva effekten av spin-squeezing direkt, och så vi förvandlade det optiska gittret till denna hiss så att vi oberoende kunde spin-squeeze och jämföra flera sub-ensembler och på detta sätt ta bort den negativa effekten av klocklaser."
Denna uppställning gjorde det också möjligt för forskarna att visa att kvantförvecklingen överlevde under transporten av dessa atomära underensembler.
Med hjälp av den optiska kaviteten manipulerade forskarna atomerna för att bilda spinnpressade, intrasslade tillstånd. Detta uppnåddes genom att mäta atomernas kollektiva egenskaper på ett så kallat "quantum non-demolition" (QND) sätt.
QND tar ett mått på ett kvantsystems egenskap så att mätningen inte stör den egenskapen. Två upprepade QND-mätningar uppvisar samma kvantbrus, och genom att ta skillnaden kan man njuta av upphävandet av kvantbruset.
I ett atom-kavitets-kopplat system gjorde interaktionen mellan ljuset som sonderar den optiska kaviteten och atomerna i kaviteten tillåtet forskarna att projicera atomerna till ett spinnpressat tillstånd med minskad inverkan av QPN-osäkerhet. Forskarna använde sedan det hissliknande gallret för att blanda in en oberoende grupp av atomer i hålrummet, och bildade en andra spinnpressad ensemble inom samma experimentapparat.
En nyckelnyhet i denna studie var att direkt jämföra de två atomära underensemblerna. Tack vare det vertikala gittret kunde forskarna byta vilka atomära underensemble som fanns i håligheten, direkt jämföra deras prestationer genom att omväxlande mäta tiden som indikeras av varje spinnpressad underensemble.
"Först utförde vi en klassisk klockjämförelse av två atomära sub-ensembler utan spinnklämning," förklarade Tso. "Sedan snurrade vi båda underensemblerna och jämförde prestandan för de två spinnpressade klockorna. Till slut drog vi slutsatsen att paret spinnpressade klockor presterade bättre än paret klassiska klockor när det gäller stabilitet med en förbättring på cirka 1,9 dB [~25 % förbättring] Detta är ganska anständigt som det första resultatet av vår experimentella uppställning."
Denna stabilitetsförbättring bestod även när klockornas prestanda var i genomsnitt ner till nivån 10 -17 fraktionerad frekvensstabilitet, ett nytt riktmärke för spinnpressad optisk gitterklockprestanda. "I en generation av det här experimentet har vi ungefär halvvägs täppt till klyftan mellan stabiliteten hos de bästa spinnpressade klockorna och de bästa klassiska klockorna för precisionsmätning", utarbetade Miklos, som tillsammans med resten av teamet hoppas kunna förbättra detta värde ytterligare.
Med sin jämförelse med dubbla ensemble, markerar denna experimentella uppställning ett viktigt steg mot att utnyttja kvantmekaniken för praktiska och teoretiska framsteg, inklusive inom så varierande områden som navigering till grundläggande fysik, vilket möjliggör tester av gravitationsteorier och bidrar till sökandet efter ny fysik.
Miklos, Tso och resten av teamet är hoppfulla att deras nya upplägg kommer att tillåta dem att dyka djupare in i gravitationens grunder.
"De exakta mätningarna av gravitationsrödförskjutningen, som nyligen gjordes i vårt labb, är något som vi skulle vilja titta närmare på med denna experimentella design," tillade Miklos. "Förhoppningsvis kan den berätta mer om universum vi lever i."
Mer information: John M. Robinson et al, Direkt jämförelse av två spinnpressade optiska klockensembler vid 10 −17 nivå, Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02310-1
Journalinformation: Naturfysik
Tillhandahålls av JILA
