[論文レビュー] A tweezer clock with half-minute atomic coherence at optical frequencies and high relative stability

Aaron W. Young, William J. Eckner+7 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2020

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 72被引用数 212

ひとこと要約

本論文は、88Sr原子を用いた2次元光学トランプアレイ時計を提案し、原子のコherence時間は40秒を超えることを達成し、相対的分数周波数安定性は5.2(3)×10⁻¹⁷ (τ/s)⁻¹/²を達成した。813 nmの浅いクロック・マジックポテンシャルと515 nmのきついコンfinementをもつ補助ポテンシャルを組み合わせることで、高精度な状態準備、サイト分解能をもつ読み出し、およびデコherenceの抑制が可能となり、10¹⁶を超える品質因数を達成し、約150原子の集合体における長寿命な量子コherenceを実現した。

ABSTRACT

The preparation of large, low-entropy, highly coherent ensembles of identical quantum systems is foundational for many studies in quantum metrology, simulation, and information. Here, we realize these features by leveraging the favorable properties of tweezer-trapped alkaline-earth atoms while introducing a new, hybrid approach to tailoring optical potentials that balances scalability, high-fidelity state preparation, site-resolved readout, and preservation of atomic coherence. With this approach, we achieve trapping and optical clock excited-state lifetimes exceeding $ 40 $ seconds in ensembles of approximately $ 150 $ atoms. This leads to half-minute-scale atomic coherence on an optical clock transition, corresponding to quality factors well in excess of $10^{16}$. These coherence times and atom numbers reduce the effect of quantum projection noise to a level that is on par with leading atomic systems, yielding a relative fractional frequency stability of $5.2(3) imes10^{-17}~( au/s)^{-1/2}$ for synchronous clock comparisons between sub-ensembles within the tweezer array. When further combined with the microscopic control and readout available in this system, these results pave the way towards long-lived engineered entanglement on an optical clock transition in tailored atom arrays.

研究の動機と目的

• スケーラブルな光学トランプアレイを用いて、長寿命で高コherenceを示す原子集合体を実現すること。
• コherenceを保ちながら原子数を増やすことで、量子投影ノイズを低減すること。
• 大規模でコherentな原子アレイにおいて、マイクロスコピックな制御とサイト分解能をもつ読み出しを可能にすること。
• トンネル効果とラマン散乱を独立して制御することで、トランプベースの光学時計における高い安定性を実証すること。
• 光学時計遷移におけるエンジニアリングされたもつれと、長寿命コherenceを有する量子情報処理の道筋を築くこと。

提案手法

• ハイブリッド光学ポテンシャルを用いる：クロック動作に適した浅い813 nm「サイエンス」ポテンシャルと、きついコンfinementに適した515 nm「補助」ポテンシャル。
• 1.2–1.5 µmの間隔をもつ320サイトのトランプアレイを用い、88Sr原子の高密度かつサイト分解能をもつ捕獲を実現。
• 交差ビーム光学格子を用いたサイドバンド冷却により、すべての方向で0.1未塔のフォノン占有状態を達成。
• 補助ポテンシャルからサイエンスポテンシャルへの断熱的遷移を実施し、コherenceを保持するとともに、長寿命なクロック状態の分布を実現。
• サブアンサンブル間の同期比較を用いたラーマン分光法により、安定性を測定。
• 散乱、黒体放射、レイノルズ散乱を含むマスター方程式を用いてデコherenceをモデル化し、10個の位相シフトを数値的にシミュレートしてレーザーノイズの影響を考慮。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 88Sr原子の大きなサイト分解能を持つトランプアレイで、40秒を超える原子コherence時間を達成できるか？
• RQ2 約150原子を有するトランプベースの光学時計で、達成可能な最大の相対的分数周波数安定性は何か？
• RQ3 トンネル効果とラマン散乱の独立した制御を活用することで、固定格子系の限界を超えたコherenceを延長できるか？
• RQ4 有限温度の運動励起が、きつい捕獲状態におけるクロックパルスの忠実度をどの程度制限するか？
• RQ5 高精度な状態準備、長寿命コherence、サイト分解能制御の組み合わせが、将来的なもつれベースの量子計測を可能にするか？

主な発見

• 3P0 → 3P1クロック遷移における励起状態の寿命は46(5)秒であり、特定の原子ではコherence時間が最大48(8)秒に達した。
• 30秒スケールの原子コherenceが観測され、品質因数 Q = 6.5(1.1)×10¹⁶ に対応する。
• サブアンサンブル間の同期比較において、相対的分数周波数安定性が5.2(3)×10⁻¹⁷ (τ/s)⁻¹/²に達した。
• サイドバンド冷却後の平均フォノン占有状態は、軸方向および径方向で0.07±0.06であり、0.1未塔のフォノン状態準備を示している。
• モデル化により、現在の条件ではπパルス忠実度が0.90に制限されるが、より良いコンfinementを実現すれば99.94%にまで向上可能である。
• 原子位置の精度が100 nmであり、サイト分解能をもつ読み出しが可能であり、今後の多体もつれ制御が可能になる。