[論文レビュー] Direct comparison of two spin squeezed optical clocks below the quantum projection noise limit

John Robinson, Maya Miklos+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2022

Advanced Frequency and Time Standards被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、キャビティ量子電磁力学（cQED）プラットフォームを用いて、2つのスピン圧縮光クロックの直接比較を実現し、10⁻¹⁷の測定精度で量子投影ノイズ限界を2.0(3) dB下回り、標準量子限界を0.6(3) dB上回ることに成功した。2つの独立した原子系集合に対して同時に圧縮と差分測定を可能にすることで、技術的ノイズの補正なしにエンタングルメントによる安定性向上の明確な証明が得られた。

ABSTRACT

Building scalable quantum systems that demonstrate genuine performance enhancement based on entanglement is a major scientific goal for fields including computing, networking, simulations, and metrology. The tremendous challenge arises from the fragility of entanglement in increasingly larger sized quantum systems. Optical atomic clocks utilizing a large number of atoms have pushed the frontier of measurement science, building on precise engineering of quantum states and control of atomic interactions. However, today's state-of-the-art optical atomic clocks are limited by the quantum projection noise (QPN) defined by many uncorrelated atoms. Pioneering work on producing spin squeezed states of atoms has shown a path towards integrating entanglement into the best performing clocks. However, to directly demonstrate advantage of quantum entanglement in a working clock we must prevent backaction effects that degrade quantum coherence and introduce uncontrolled perturbations, as well as minimize the influence of technical noise arising from the interrogating clock laser. Here we present a new optical clock platform integrated with collective strong-coupling cavity QED for quantum non-demolition (QND) measurement. Optimizing the competition between spin measurement precision and loss of coherence, we measure a Wineland parameter of -1.8(7) dB for 1.9x10$^4$ atoms, thus verifying the presence of entanglement. Furthermore, a moving lattice allows the cavity to individually address two independent sub-ensembles, enabling us to spin squeeze two clock ensembles successively and compare their performance. This differential comparison between the two squeezed clocks directly verifies enhanced clock stability of 2.0(3) dB below QPN, and 0.6(3) dB above the standard quantum limit (SQL), at the measurement precision level of 10$^{-17}$, without subtracting any technical noise contributions.

研究の動機と目的

• 量子投影ノイズ限界を下回るエンタングルメントによる安定性向上を直接実証することで、光クロックにおける量子優位性を裏付ける。
• 大規模な原子系においてコherencyを損なうバックアクションおよび技術的ノイズの課題を克服し、量子優位性を明確に浮き彫りにする。
• 2つの独立した原子クロックを同時にスピン圧縮および差分比較可能な二重集合cQEDアーキテクチャを実装する。
• 技術的ノイズの補正なしに、高精度（10⁻¹⁷レベル）での量子投影ノイズを下回る安定性を達成する。
• ノイズに強く、直接的な比較によって、実運用クロックプラットフォームにおけるスピン圧縮状態の性能を検証する。

提案手法

• 可動式の垂直光格子を用いて、1つの原子クラウド内に2つのサブ集合合の⁸⁷Sr原子を独立して捕獲・励起する。
• 強い結合を有するキャビティ量子電磁力学（cQED）を採用し、原子スピン状態の量子非破壊（QND）測定を実現する。
• レーザーパルスのシーケンスを適用して両集合でスピン圧縮状態を生成し、その後、ラムゼー干渉計測定により位相を測定する。
• 2つの集合間の差分測定を用いて共通モードのレーザー雑音をキャンセルし、ノイズ補正なしに安定性を向上させる。
• 差分位相ノイズを最小化し、最小限の不確実性を抽出するために最適推定子（βA、βB、βD）を用いる。
• 測定されたキャビティ周波数シフトを原子数差に変換し、ラムゼーフレアのキャリブレーションを用いて位相差に変換する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2つの独立した原子集合におけるスピン圧縮状態を用いて、量子投影ノイズ限界を下回る安定性を持つクロック性能の直接比較が可能か？
• RQ2 技術的ノイズおよびバックアクションは、光クロックにおける真の量子優位性を明らかにするためにどの程度抑制可能か？
• RQ3 2つの圧縮クロック間の差分比較は、10⁻¹⁷レベルのノイズに強く、安定性測定を可能にするか？
• RQ4 技術的ノイズ補正なしに、スピン圧縮によって実際に得られるクロック安定性の向上はどの程度か？
• RQ5 実運用条件下の動作クロックプラットフォームにおいて、ウィネランドパラメータを用いてエンタングルメントを検証できるか？

主な発見

• 1.9 × 10⁴個の原子に対してウィネランドパラメータが -1.8(7) dB に達し、系内にエンタングルメントが存在することを確認した。
• 差分比較により、10⁻¹⁷の測定精度で量子投影ノイズ限界を2.0(3) dB下回る安定性向上が達成された。
• システムは標準量子限界を0.6(3) dB上回り、明確な量子優位性を示した。
• 最適推定子 βD = 0.907(5) は、2つの集合間に最小限の非対称ノイズが存在することを示し、量子投影ノイズへの影響はたった0.05 dBにとどまった。
• 測定された位相不確実性は標準量子限界によって制限されており、共通モードキャンセレーションの効果により技術的ノイズの顕著な劣化は認められなかった。
• 可動格子の使用により、高コherencyと低クロストークを維持したまま、2つの原子集合の独立した制御と測定が可能になった。