[論文レビュー] An atomic clock with $10^{-18}$ instability

N. Hinkley, Jeffrey A. Sherman+7 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2013

Advanced Frequency and Time Standards被引用数 82

ひとこと要約

この論文は、スピン極化された超低温ヨットビウム原子を用いた光学格子時計を提示し、平均化時間7時間で1.6 × 10^{-18}の分数周波数不安定性を達成した。これは10^{-18}レベルの精度への道のりにおける重要なマイルストーンである。システムは2つの独立した時計を用いて性能を相互に比較しており、不安定性は主に量子投影ノイズとディック効果によって制限されている。また、交互に測定を行う方式と向上したレーザー安定性を組み合わせることで、100秒未塔で10^{-18}の不安定性を達成可能であることが示された。

ABSTRACT

Atomic clocks have been transformational in science and technology, leading to innovations such as global positioning, advanced communications, and tests of fundamental constant variation. Next-generation optical atomic clocks can extend the capability of these timekeepers, where researchers have long aspired toward measurement precision at 1 part in $\bm{10^{18}}$. This milestone will enable a second revolution of new timing applications such as relativistic geodesy, enhanced Earth- and space-based navigation and telescopy, and new tests on physics beyond the Standard Model. Here, we describe the development and operation of two optical lattice clocks, both utilizing spin-polarized, ultracold atomic ytterbium. A measurement comparing these systems demonstrates an unprecedented atomic clock instability of $\bm{1.6 imes 10^{-18}}$ after only $\bm{7}$ hours of averaging.

研究の動機と目的

• 次世代時刻測定のための基準となる10^{-18}レベルの分数周波数不安定性を光学原子時計で達成すること。
• 超低温ヨットビウム原子を用いた光学格子時計が、相対論的ジオデシーや基礎物理学の検証に適した不安定性レベルに達することを実証すること。
• 不安定性性能を制限する主なノイズ源、特にディック効果と量子投影ノイズを特定し、低減すること。
• 向上したレーザー安定性と交互に測定する技術を用いることで、100秒未塔で10^{-18}の不安定性を達成可能であることを検証すること。
• 光学周波数基準に基づくSI秒の未来の再定義の基盤を築くこと。

提案手法

• 2つの独立した光学格子時計を並列に運用し、直接的な比較と不安定性測定を可能にする。両時計ともスピン極化された超低温ヨットビウム-171原子を用いる。
• 原子は「ミラクル波長」で3次元光学格子に閉じ込められ、時計遷移における光シフトのスターブ・シフトをキャンセルし、系統的周波数シフトを最小限に抑える。
• 時計レーザーは、数秒の応答時間を持つフィードバックシステムにより原子遷移にロックされ、アラン分散を用いてさまざまな平均化時間における不安定性を定量的に評価する。
• 2つの原子系を用いた交互に測定するラマーシー分光法を実装し、局所発信周波数を継続的にモニタリングすることで、ディック効果を低減する。
• 量子投影ノイズ（QPN）は、根本的な量子制限として推定され、システムの性能は理論的QPNおよびディック効果モデルと比較される。
• ブラックボディスターブ・シフト、原子間衝突、格子光シフトなどの系統的不確実性は最小限に抑えられ、長期的な安定性と正確性を確保するための監視が行われる。

Figure 1: (A) Laser light at 578 nm is pre-stabilized to an isolated, high-finesse optical cavity using Pound-Drever-Hall detection and employing electronic feedback to an acousto-optic modulator (AOM) and laser piezoelectric-transducer. This stable laser light is then delivered to the Yb-1 and Yb-2

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 平均化時間7時間の後、光学格子時計が1.6 × 10^{-18}の分数周波数不安定性を達成できるか？
• RQ2 ディック効果が高性能光学時計の不安定性をどの程度制限しており、それを低減できるか？
• RQ3 2つの原子系を交互に測定することで、ディック効果を顕著に低減でき、100秒未塔で10^{-18}の不安定性を達成できるか？
• RQ4 量子投影ノイズとレーザー周波数ノイズが、光学時計の最終的不安定性をどのように制限するか？
• RQ5 系統的不確実性は、10^{-18}レベルの不安定性と将来の10^{-17}レベルの正確性を支えるのに十分に制御できるか？

主な発見

• 2つの時計による比較により、平均化時間7時間で1.6 × 10^{-18}の分数周波数不安定性が達成され、時計安定性の顕著な進歩を示した。
• 平均化時間25,000秒で不安定性が1.6 × 10^{-18}に達し、量子投影ノイズの限界に近づいた。
• 観測された不安定性は、量子投影ノイズとディック効果の理論的寄与の合計とよく一致しており、これらが主なノイズ源であると示唆された。
• ディック効果は依然として顕著な制限要因であり、現在のレーザー安定性でも、量子投影ノイズの限界よりも数倍も高い寄与を示した。
• 2つの原子系を交互に測定することでディック効果を低減でき、特にレーザー周波数ノイズを向上させ、測定時間を延長することで、100秒未塔で10^{-18}の不安定性を達成可能である。
• 系統的不確実性、特にブラックボディスターブ・シフトは3 × 10^{-16}レベルまで低減され、さらなる低減により長期的な不安定性が向上すると予想される。

Figure 2: (A) Correction frequencies, $f_{1,2}(t)$ , are shown in red and black. Dominant LO fluctuations are due to the cavity and are thus common to the atomic systems. (B) Frequency difference between the two Yb clock systems, $f_{2}(t)-f_{1}(t)$ , for a 5,000 s interval. (C) Data set $f_{2}(t)-f