[論文レビュー] Cryogenic optical lattice clocks with a relative frequency difference of $1 imes 10^{-18}$

Manoj Das, Hidetoshi Katori+3 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2014

Advanced Frequency and Time Standards参考文献 27被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、$^{87}$Sr原子を用いた冷温光学格子時計が、1か月間の運転後に2つの時計間で相対周波数差 $(-1.1 \pm 1.6) \times 10^{-18}$ を達成することを示しており、黒体放射によるシフトを低減し、2時間以内に $2 \times 10^{-18}$ の不確かさで量子制限の安定性を達成する。冷温環境により系統的誤差が抑制され、SI秒の再定義のための $1 \times 10^{-18}$ の精度の閾値に向けた光学時計の前進が実現された。

ABSTRACT

Time and frequency are the most accurately measurable quantities, providing foundations for science and modern technologies. The accuracy relies on the SI (Systeme International) second that refers to Cs microwave clocks with fractional uncertainties at $10^{-16}$. Recent revolutionary progress of optical clocks aims to achieve $1 imes 10^{-18}$ uncertainty, which however has been hindered by long averaging-times or by systematic uncertainties. Here, we demonstrate optical lattice clocks with $^{87}$Sr atoms interrogated in a cryogenic environment to address the blackbody radiation-induced frequency-shift, which remains the primary source of clocks' uncertainties and has initiated vigorous theoretical and experimental investigations. The quantum-limited stability for $N \sim 1,000$ atoms allows investigation of the uncertainties at $2 imes 10^{-18}$ in two hours of clock operation. After 11 measurements performed over a month, the two cryo-clocks agree to within $(-1.1\pm 1.6) imes 10^{-18}$. Besides its contribution to fundamental science and the redefinition of the SI second, such a speedy comparison of accurate clocks provides a means for relativistic geodesy.

研究の動機と目的

• 光学時計における主な不確実性要因である黒体放射による周波数シフトを低減するため、光学格子時計を冷温環境で運用すること。
• 相対周波数安定性 $1 \times 10^{-18}$ を達成し、SI秒の再定義を狙うこと。
• 量子制限の安定性を $N \sim 1,000$ 個の $^{87}$Sr原子に対して実証し、短時間平均化による高精度測定を可能にすること。
• 系統的誤差を最小限に抑え、長期的安定性を向上させることで、相対論的測地学に向けた正確な時計比較を可能にすること。

提案手法

• 636 nmのクロック遷移を共鳴的に測定するため、光学格子に閉じ込められた $^{87}$Sr原子を用いる。
• 黒体放射シフトを抑制するため、時計装置を冷温環境で運用する。
• $N \sim 1,000$ 個の原子に対して量子制限の安定性プロトコルを用い、技術的ノイズを最小限に抑え、測定精度を向上させる。
• 1か月間にわたり、2つの独立した冷温時計を繰り返し比較することで、長期的安定性と一致度を評価する。
• コherentlyを維持し、測定不確実性を低減するために、高精度な状態準備および検出技術を適用する。
• 周波数比較のための共通基準を用いることで、2つの時計間の系統的ドリフトを排除する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 冷温運用によって、光学格子時計における黒体放射による周波数シフトを顕著に低減できるか？
• RQ2 冷温光学格子中で $N \sim 1,000$ 個の $^{87}$Sr原子に対して、どの程度量子制限の安定性が達成できるか？
• RQ3 2つの独立して運用される冷温光学格子時計の間で、$10^{-18}$ 水準での長期的一致度はどの程度か？
• RQ4 このような時計を用いることで、高精度な周波数比較を活用した相対論的測地学が可能になるか？

主な発見

• 1か月間にわたり11回の測定を実施した結果、2つの冷温光学格子時計は $(-1.1 \pm 1.6) \times 10^{-18}$ の範囲内で一致し、優れた長期的安定性を示した。
• 2時間の運転で相対不確かさが $2 \times 10^{-18}$ に達し、$N \sim 1,000$ 原子に対して量子制限の安定性が達成された。
• 冷温運用により、光学時計における主要な系統的不確実性要因である黒体放射シフトが効果的に抑制された。
• これらの結果は、不確かさ $1 \times 10^{-18}$ でSI秒を再定義するための重要な一歩を示している。
• 高精度な時計比較により、重力赤方偏移を用いた高さ差測定を含む相対論的測地学への応用が可能になった。