研究人员以创纪录的精度水平展示了自旋挤压光晶格时钟的直接比较
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JILA的光学晶格钟，博尔德。资料来源：吉拉
尽管当今最好的光学原子钟可用于进行极其精确的测量，但它们仍然受到它们询问的许多原子的自旋统计噪声的限制，称为量子投影噪声（QPN）。但是通过利用这些系统的真正量子性质，可以纠缠原子样品以绕过这个QPN限制。
现在，研究人员报告了对低于经典QPN极限的光晶格时钟的首次直接观测，平均测量精度水平为10-17。
来自科罗拉多大学博尔德分校和美国国家标准与技术研究院联合研究所JILA的Maya Miklos将在Optica Quantum 2.0会议和展览上展示这项研究，该会议和展览将于6月18日至22日在科罗拉多州丹佛举行。
“提高光晶格钟的频率稳定性既推进了大量实际应用，又为探索基础物理学打开了新的大门。例如，GPS 的工作原理是根据从远处卫星反射信号所需的时间对您的位置进行三角测量;改进的计时直接转化为更好的位置知识，“JILA研究员Maya Miklos解释道。
“现在，这些最好的时钟都使用大量非相互作用原子样本 - 当我们测量这些原子的量子态以提取有关时钟频率的信息时，每个原子都被'投射'成离散状态，为频率测量贡献所谓的'量子投影噪声'。
“改进这些时钟的一种方法是利用纠缠的量子特征来减少集体合奏的投影噪声。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，使我们离使最先进的光学晶格钟的自旋挤压实用又近了一步。
量子计量学解决了类原子系统的离散或量子化能级，以设定可用于其他高精度研究甚至定义测量单位（如秒）的频率标准。由于其精度，光学晶格钟在许多应用中具有先进的量子计量技术。
在这项新工作中，研究人员在光晶格钟中制备了自旋挤压原子，以实现更高的精度。尽管原理验证实验已经产生了对光时钟跃迁的挤压，并在减去噪声后推断出子QPN操作，但这是第一次直接观察到光晶格时钟在QPN限值以下工作。
为了完成这一壮举，研究人员构建了一种装置，该装置将垂直一维锶光学晶格钟与提供强集体耦合的光学腔相结合。这使得原子能够通过腔介导的量子非拆除测量进行挤压。传送带晶格允许将独立的子集合穿梭到腔中以产生不同的自旋挤压样品，而最先进的时钟激光器同时询问整个原子云。
然后，研究人员在锶光学晶格钟中的两个自旋挤压系综之间进行了自同步时钟比较。他们能够直接测量超过该系统投影噪声限值的2.0（3）dB计量增益，平均精度低至10−17级。这代表了通过自旋挤压改进最先进的光学晶格时钟的重要一步。
这个实验的未来工作将进一步控制晶格内的原子运动，以提高旋转保真度和与空腔的集体耦合。这些技术改进将导致更好的时钟稳定性和更少的原子系综的退相干。
相关研究也发表在arXiv预印本服务器上。
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原标题：《『研究人员以创纪录的精度水平展示了自旋挤压光晶格时钟的直接比较》