[論文レビュー] Optical clock intercomparison with $6 imes 10^{-19}$ precision in one hour

E. Oelker, Ross B. Hutson+15 more|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2019

Advanced Frequency and Time Standards参考文献 47被引用数 97

ひとこと要約

本論文は、凍結シリコンベースの超安定レーザー安定性を用いた2つのSr格子時計を用いた光学時計の間比較を実証し、1つの時計の不安定性を約4.8×10⁻¹⁷/√τ、1時間後の分数精度を5.8×10⁻¹⁹と達成した。

ABSTRACT

Improvements in atom-light coherence are foundational to progress in quantum information science, quantum optics, and precision metrology. Optical atomic clocks require local oscillators with exceptional optical coherence due to the challenge of performing spectroscopy on their ultra-narrow linewidth clock transitions. Advances in laser stabilization have thus enabled rapid progress in clock precision. A new class of ultrastable lasers based on cryogenic silicon reference cavities has recently demonstrated the longest optical coherence times to date. In this work we utilize such a local oscillator, along with a state-of-the-art frequency comb for coherence transfer, with two Sr optical lattice clocks to achieve an unprecedented level of clock stability. Through an anti-synchronous comparison, the fractional instability of both clocks is assessed to be $4.8 imes 10^{-17}/\sqrtτ$ for an averaging time $τ$ in seconds. Synchronous interrogation reveals a quantum projection noise dominated instability of $3.5(2) imes10^{-17}/\sqrtτ$, resulting in a precision of $5.8(3) imes 10^{-19}$ after a single hour of averaging. The ability to measure sub-$10^{-18}$ level frequency shifts in such short timescales will impact a wide range of applications for clocks in quantum sensing and fundamental physics. For example, this precision allows one to resolve the gravitational red shift from a 1 cm elevation change in only 20 minutes.

研究の動機と目的

• 凍結シリコン腔レーザーを用いた2つのSr光格子時計の超安定な間比較を実証する。
• Dick効果と量子投影ノイズ（QPN）による時計不安定性の寄与を定量化する。
• 共通モードノイズを抑制するための同期照射と反同期照射を示す。
• 光周波数コムを介して1542 nmから698 nmへのレーザー安定性の劣化を最小限に抑えて伝送する。

提案手法

• 124 Kで動作する21 cmの低温シリコン腔を局部発振器として使用し、サブ熱雑音性能を達成する。
• 超低ノイズの光周波数コムと安定化された698 nmレーザーを介して698 nmへ伝送安定性を向上させる。
• 2つのSr時計（1Dと3D）を550 msのスペクトロスコピー時間と570 msのデッドタイムで照射し、時計補正量と誤差信号を測定する。
• レーザー雑音モデル S_y(f) および原子感度関数 G(f) を用いて Dick効果を計算し、不安定性を予測する。
• Dick効果とQPNの寄与を分離するため、反同期および同期間比較を実行する。
• 磁場ノイズを抑制するため、反相関の2つの遷移でゼーマンキャンセルを行う方式を使用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 凍結シリコン腔安定化レーザーを用いて2つのSr光格子時計を間比較した場合、達成可能な分数周波数不安定性はどれくらいか？
• RQ2 異なる照射方式（反同期 vs 同期）において、Dick効果と量子投影ノイズは時計の不安定性をどのように制限するか？
• RQ3 共用レーザー光を介した実用的な長時間間比較において、同期照射はQPN限界に近づくことができるか？
• RQ4 1時間の間比較で達成可能な精度はどの程度で、地盤測地学および基礎物理学への応用にはどんな含意があるか？

主な発見

• 反同期時計間比較は5.5(3)×10⁻¹⁷/√τを示し、QPNとDick効果から予測された5.7×10⁻¹⁷/√τと一致する。
• 同期照射は3.5(2)×10⁻¹⁷/√τを達成し、QPN限界の2.8×10⁻¹⁷/√τに近い。
• 独立運用における単一時計の不安定性推定値は4.8×10⁻¹⁷/√τで、以前の結果より三倍改善。
• 1時間平均では、精度は5.8(3)×10⁻¹⁹に達する。
• レーザー雑音スペクトルモデルに基づくDick効果の予測は、構成を問わず測定された不安定性と密接に一致する。
• 本系は短時間でサブ10⁻¹⁸レベルの周波数シフトを解決でき、精密計測学および相対論的地理測地学への実用的な可能性を示す。）