Fortællingen om to ure:Fremme præcisionen af ​​tidtagning

Historisk set har JILA (et fælles institut etableret af National Institute of Standards and Technology [NIST] og University of Colorado Boulder) været førende i verden inden for præcisionstidtagning ved hjælp af optiske atomure. Disse ure udnytter atomernes iboende egenskaber til at måle tid med uovertruffen præcision og nøjagtighed, hvilket repræsenterer et betydeligt spring i vores søgen efter at kvantificere de mest undvigende dimensioner:tid.

Præcisionen af ​​disse ure har dog grundlæggende begrænsninger, herunder "støjgulvet", som påvirkes af "kvanteprojektionsstøjen" (QPN). "Dette kommer fra spin-statistikken for de individuelle qubits, den virkelige kvantenatur af de atomer, der undersøges," uddybede JILA-kandidatstuderende Maya Miklos.

State-of-the-art sammenligninger af ur, som dem instrueret af JILA og NIST Fellow Jun Ye, rykker stadig tættere på denne grundlæggende støjgrænse. Denne grænse kan dog omgås ved at generere kvantesammenfiltring i atomprøverne, hvilket øger deres stabilitet.

Nu har Yes team i samarbejde med JILA Fellow James K. Thompson brugt en specifik proces kendt som spin squeezing til at generere kvanteforviklinger, hvilket resulterer i en forbedring af urets ydeevne, der opererer ved 10 ^-17 stabilitetsniveau. Deres nye eksperimentelle opsætning, udgivet i Nature Physics , gjorde det også muligt for forskerne direkte at sammenligne to uafhængige spin-klemmede ensembler for at forstå dette præcisionsniveau i tidsmåling, et niveau aldrig før nået med et spin-squeezed optisk gitter-ur.

Udviklingen af ​​disse forbedrede optiske atomure har vidtrækkende konsekvenser. Ud over tidtagningens område rummer de potentielle fordele til brug i forskellige videnskabelige udforskninger, herunder test af grundlæggende fysikprincipper, forbedring af navigationsteknologier og muligvis bidrag til detektering af gravitationsbølger.

"At fremme optisk ur-ydeevne op til og ud over de fundamentale grænser, som naturen pålægger, er allerede en interessant videnskabelig stræben," forklarede JILA-studerende John Robinson, avisens første forfatter. "Når man tænker på, hvilken fysik du kan afdække med den forbedrede følsomhed, tegner det et meget spændende billede for fremtiden."

Et støjende ensemble af atomer

Optiske atomure fungerer ikke gennem tandhjul og penduler, men gennem de orkestrerede rytmer mellem atomer og excitationslaser.

QPN udgør en grundlæggende hindring for præcisionen af ​​disse ure. Dette fænomen opstår fra den iboende usikkerhed, der er til stede i kvantesystemer. I forbindelse med optiske atomure manifesterer QPN sig som en subtil, men gennemgående forstyrrelse, der ligner en baggrundsstøj, der kan skjule klarheden af ​​tidsmåling.

"Fordi hver gang du måler en kvantetilstand, bliver den projiceret ind i et diskret energiniveau, støjen forbundet med disse målinger ligner at vende en masse mønter og tælle, om de dukker op som hoveder eller haler," sagde Miklos.

"Så du får denne lov-om-store-tal-skalering, hvor præcisionen af ​​din måling stiger med kvadratroden af ​​N, dit atomnummer. Jo flere atomer du tilføjer, jo bedre er stabiliteten af ​​dit ur. Der er dog er grænser for det, fordi du forbi visse tætheder kan have tæthedsafhængige interaktionsskift, som forringer dit urs stabilitet."

Der er også praktiske grænser for det opnåelige antal atomer i et ur. Imidlertid kan sammenfiltring bruges som en kvanteressource til at omgå denne projektionsstøj. Miklos tilføjede:"Den kvadratrod af N-skalering gælder, hvis disse partikler er ukorrelerede. Hvis du kan generere sammenfiltring i din prøve, kan du nå en optimal skalering, der stiger med N i stedet."

For at løse udfordringen fra QPN brugte forskerne en teknik kendt som spinklemning. I denne proces justeres atomernes kvantetilstande fint. Mens usikkerheden ved en kvantemåling altid overholder Heisenberg-usikkerhedsprincippet, "klemmes disse spins" gennem præcise indgreb, hvilket reducerer usikkerheden i én retning, mens den øges i en anden.

At realisere spinklemning i optiske ure er en relativt ny bedrift, men tilsvarende sammenfiltrede ressourcer som klemt lys er blevet brugt på andre områder. "LIGO [Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory] brugte allerede sammenklemning af vakuumtilstande til at forbedre deres målinger af interferometerlængder til gravitationsbølgedetektion," forklarede JILA kandidatstuderende Yee Ming Tso.

Oprettelse af en kvante-"elevator"

For at opnå spin-klemningen skabte holdet en ny laboratorieopsætning bestående af et lodret, 1D bevægeligt gitter, der krydser et optisk hulrum (en resonator bestående af to spejle) langs den vandrette retning. Forskerne brugte gitterets laserstråler til at flytte atomensemblerne op og ned gennem hele gitteret som en elevator, hvor nogle grupper af atomer eller underensembler trængte ind i hulrummet.

Dette projekt var inspireret af et nyligt samarbejde mellem Ye-forskningsgruppen og JILA Fellow Adam Kaufman, som også havde udforsket spin-squeezing i andre laboratorieopstillinger.

"Indtil dette tidspunkt var spin-squeezing i optiske ure kun blevet implementeret i proof-of-principle eksperimenter, hvor støjen fra urlaseren tilslørede signalet," sagde Robinson.

"Vi ønskede at observere den positive virkning af spin-squeezing direkte, og så vi forvandlede det optiske gitter til denne elevator, så vi uafhængigt kunne spin-squeeze og sammenligne flere underensembler og på denne måde fjerne den negative virkning af urlaser."

Denne opsætning gjorde det også muligt for forskerne at vise, at kvantesammenfiltringen overlevede under transporten af ​​disse atomare underensembler.

Ved hjælp af det optiske hulrum manipulerede forskerne atomerne til at danne spin-klemmede, sammenfiltrede tilstande. Dette blev opnået ved at måle atomernes kollektive egenskaber på en såkaldt "quantum non-demolition" (QND) måde.

QND tager et mål for et kvantesystems egenskab, så målingen ikke forstyrrer denne egenskab. To gentagne QND-målinger udviser den samme kvantestøj, og ved at tage forskellen kan man nyde annulleringen af ​​kvantestøjen.

I et atom-hulrum koblet system tillod interaktionen mellem lyset, der sonderer det optiske hulrum, og atomerne placeret i hulrummet forskerne at projicere atomerne ind i en spin-klemt tilstand med reduceret påvirkning af QPN-usikkerhed. Forskerne brugte derefter det elevatorlignende gitter til at blande en uafhængig gruppe af atomer ind i hulrummet og dannede et andet spin-klemt ensemble i det samme eksperimentelle apparat.

Sammenligning af ur med ur

En vigtig nyskabelse i denne undersøgelse var direkte sammenligning af de to atomare underensembler. Takket være det lodrette gitter kunne forskerne skifte, hvilke atomare underensembler, der var i hulrummet, ved direkte at sammenligne deres præstationer ved skiftevis at måle tiden som angivet af hvert spin-klemt underensemble.

"I begyndelsen udførte vi en klassisk ursammenligning af to atomare underensembler uden spinklemning," forklarede Tso. "Derefter snurrede vi begge underensembler og sammenlignede ydeevnen af ​​de to spin-pressede ure. Til sidst konkluderede vi, at parret af spin-squeezed ure klarede sig bedre end parret af klassiske ure med hensyn til stabilitet med en forbedring på omkring 1,9 dB [~25 % forbedring] Dette er ret anstændigt som det første resultat af vores eksperimentelle opsætning."

Denne stabilitetsforbedringer fortsatte, selv om urenes ydeevne var i gennemsnit ned til niveauet 10 ^-17 fraktioneret frekvensstabilitet, et nyt benchmark for spin-squeezed optisk gitterur ydeevne. "I en generation af dette eksperiment har vi omtrent halvvejs lukket kløften mellem stabiliteten af ​​de bedste spin-pressede ure og de bedste klassiske ure til præcisionsmåling," uddybede Miklos, som sammen med resten af ​​teamet håber at forbedre denne værdi endnu mere.

En udforskning ud over tidtagning

Med sin dobbeltensemble-sammenligning markerer denne eksperimentelle opsætning et væsentligt skridt i retning af at udnytte kvantemekanikken til praktiske og teoretiske fremskridt, herunder inden for så forskellige områder som navigation til fundamental fysik, hvilket muliggør test af gravitationsteorier og bidrager til søgen efter ny fysik.

Miklos, Tso og resten af ​​teamet håber på, at deres nye opsætning vil give dem mulighed for at dykke dybere ned i tyngdekraftens grundlæggende principper.

"De præcise målinger af gravitationel rødforskydning, som for nylig blev udført i vores laboratorium, er noget, vi gerne vil undersøge nærmere ved at bruge dette eksperimentelle design," tilføjede Miklos. "Forhåbentlig kan den fortælle os mere om det univers, vi lever i."

Flere oplysninger: John M. Robinson et al., Direkte sammenligning af to spin-squeezed optiske ur-ensembler ved 10 ⁻¹⁷ niveau, Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02310-1

Journaloplysninger: Naturfysik

Leveret af JILA