[論文レビュー] High precision differential clock comparisons with a multiplexed optical lattice clock

Xin Zheng, Jonathan Dolde+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2021

Advanced Frequency and Time Standards被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、共有クロックレーザーを用いて、空間的に分離された6つのストロンチウム原子アンサンブルを同時に高精度で差分比較可能な、多重化された一次元光学格子時計を提示する。26秒の原子間コヒーレンス時間（原子-レーザー間コヒーレンス時間の270倍）を達成することで、$9.7(4)\times 10^{-18}/\sqrt{\tau}$ の差分安定性と、3.3時間の平均後には $8.9(3)\times 10^{-20}$ の相対不確かさを達成し、局所発진器のノイズ制限を超えて、超高精度な時計ネットワークを実現した。

ABSTRACT

Rapid progress in the precision and accuracy of optical atomic clocks over the last decade has advanced the frontiers of timekeeping, metrology, and quantum science. However, the stabilities of most optical clocks remain limited by the local oscillator rather than the atoms themselves, leaving room for further progress. Here we implement a "multiplexed" one-dimensional optical lattice clock, in which spatially-resolved, movable ensembles of ultra-cold strontium atoms are trapped in the same optical lattice, interrogated simultaneously by a shared clock laser, and read-out in parallel. By performing synchronized Ramsey interrogations of ensemble pairs we observe atom-atom coherence times up to 26 seconds, a 270-fold improvement over the atom-laser coherence time, demonstrate a relative stability of $9.7(4) imes10^{-18}/\sqrtτ$ (where $τ$ is the averaging time in seconds), and reach a fractional uncertainty of $8.9(3) imes 10^{-20}$ after 3.3 hours of averaging. These results demonstrate that applications requiring ultra-high-precision comparisons between optical atomic clocks need not be limited by the stability of the local oscillator. With multiple ensemble pairs, we realize a miniaturized clock network consisting of 6 atom ensembles, resulting in 15 unique pairwise clock comparisons with relative stabilities below $3 imes10^{-17}/\sqrtτ$. Finally, we demonstrate the capability to simultaneously load spatially-resolved, heterogeneous ensemble pairs of all four stable isotopes of strontium in a lattice. The unique capabilities offered by this platform pave the way for future studies of precision isotope shift measurements, spatially resolved characterization of limiting clock systematics, development of clock-based gravitational wave and dark matter detectors, and novel tests of relativity including measurements of the gravitational redshift at sub-centimeter scales.

研究の動機と目的

• 光学時計の比較において局所発進器のノイズ制限を克服するため、複数の原子アンサンブルにわたる同時で相関のある差分測定を可能にする。
• 多重化された光学格子プラットフォームで長時間の原子間コヒーレンス時間を達成し、量子投影ノイズ制限を超える。
• 共通モードノイズを抑えることのできる小型化されたマルチノード時計ネットワークを実装し、高精度な差分比較を可能にする。
• 今後の基礎物理学の実験、例えば1cm未満のスケールでの重力赤方偏移やダークマター検出を可能にする。
• 複数アンサンブルの光学格子時計における系統的シフト（例えば差分密度シフト）を特定・低減する。

提案手法

• 可動式の一次元光学格子を用いて、1台の装置内で最大6つの空間的に分離された超低温ストロンチウム原子アンサンブルを決定的に荷電する。
• 1本の共有クロックレーザー光ビームが同時に全アンサンブルをインターオグレートし、複数のペア間で同期されたラーマン分光法を実現する。
• ブラックボディ放射、磁場、格子ビームの揺らぎなどの共通モード環境ノイズは、空間的対称性と共通経路幾何学により低減される。
• 同期されたラーマンフレームを用いた測定により、原子間コヒーレンス時間を測定し、26秒のコヒーレンス（原子-レーザー間コヒーレンス時間の270倍）を確認した。
• 可変な原子数差をもつアンサンブル間でロックイン型測定を実施し、イメージング勾配をキャリブレーションすることで、差分密度シフトを定量的に評価した。
• カメラのイメージング効率曲線を平滑化するため、サヴィツキー・ゴールドバーグフィルタを適用し、空間的に変動する蛍光検出の補正を後処理で行った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多重化された光学格子時計は、原子-レーザー間コヒーレンス時間よりも著しく長い原子間コヒーレンス時間を達成できるか？
• RQ2 複数アンサンブルの光学格子プラットフォームにおいて、共通モード環境ノイズはどの程度低減可能か？
• RQ3 共有レーザーを用いたマルチアンサンブル時計ネットワークで達成可能な最終的な差分安定性は何か？
• RQ4 複数アンサンブル構成において、格子トラップ深さに応じて差分密度シフトはどのようにスケーリングするか？
• RQ5 全6つのアンサンブルを同時に比較することで、15の独自のペアワイズ比較を可能にする実用的で高精度な時計ネットワークを実現できるか？

主な発見

• 原子間コヒーレンス時間として最大26秒を観測し、原子-レーザー間コヒーレンス時間の270倍の改善を達成した。
• 0.6 cm 離れた2つのアンサンブル間の差分安定性は $9.7(4)\times 10^{-18}/\sqrt{\tau}$ に達し、量子投影ノイズ制限に近づいた。
• 3.3時間の平均後、相対不確かさは $8.9(3)\times 10^{-20}$ に測定され、高精度な動作を実証した。
• 15の独自ペアワイズ時計比較が可能で、安定性は $3\times 10^{-17}/\sqrt{\tau}$ 未満を満たし、小型化された時計ネットワークを実現した。
• 差分密度シフトは測定され、$U^{5/4}$ のスケーリングに従うことが確認され、熱的ガスにおける予想されるトラップ周波数スケーリングを裏付けた。
• 1つの格子内に、4種類の安定ストロンチウム同素体の空間的に分離された不均一なペアを効率的に荷電し、同素体シフト測定を可能にした。