[論文レビュー] Realizing spin squeezing with Rydberg interactions in a programmable optical clock

William J. Eckner, Nelson Darkwah Oppong+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2023

Advanced Frequency and Time Standards被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、プログラム可能なニュートラル原子時計におけるRydberg-dressed相互作用を介したスピン絞り込みを示し、サブ-SQL差動安定性と計測利得を実現した。

ABSTRACT

Neutral-atom arrays trapped in optical potentials are a powerful platform for studying quantum physics, combining precise single-particle control and detection with a range of tunable entangling interactions. For example, these capabilities have been leveraged for state-of-the-art frequency metrology as well as microscopic studies of entangled many-particle states. In this work, we combine these applications to realize spin squeezing - a widely studied operation for producing metrologically useful entanglement - in an optical atomic clock based on a programmable array of interacting optical qubits. In this first demonstration of Rydberg-mediated squeezing with a neutral-atom optical clock, we generate states that have almost 4 dB of metrological gain. Additionally, we perform a synchronous frequency comparison between independent squeezed states and observe a fractional frequency stability of $1.087(1) imes 10^{-15}$ at one-second averaging time, which is 1.94(1) dB below the standard quantum limit, and reaches a fractional precision at the $10^{-17}$ level during a half-hour measurement. We further leverage the programmable control afforded by optical tweezer arrays to apply local phase shifts in order to explore spin squeezing in measurements that operate beyond the relative coherence time with the optical local oscillator. The realization of this spin-squeezing protocol in a programmable atom-array clock opens the door to a wide range of quantum-information inspired techniques for optimal phase estimation and Heisenberg-limited optical atomic clocks.

研究の動機と目的

• Rydberg-dressed相互作用を用いたプログラム可能なニュートラル原子アレイで、光時計遷移上のスピン絞り込みを Demonstrateする。
• Wineland絞りパラメータで計測利得を定量化し、差動時計安定性をSQL以下で評価する。
• 局所単一量子ビット制御を用いた位相推定の強化と、相関時間を超える相関の測定を探索する。
• サブアレイにおけるRydberg介在相互作用の範囲と性質を特徴づけ、それらを絞り込み性能と関連づける。

提案手法

• 有効ハミルトニアンを H = Hc + HöRyd としてモデル化し、Hc = ħΩc Scx および HöRyd = (1/4) ∑_{i<j} Vij σz^(i) σz^(j) + (1/2) ∑_i δi σz^(i)。
• 弱ドレッシングを用いてソフトコア相互作用 Vij = V0 / [1 + (rij / Rb)^6] を実現し、V0 = ħ β^3 Ωr および Rb = |C6/(2Δ)|^(1/6)。
• スピンエコー絞り込みプロトコルを実装して相互作用項を分離し、制御されたエンタングルメント生成のために tint を適用。
• プログラム可能な光学トゥイーザー配列と2D格子を用いてサブアレイを準備・読み出し、AとB間の差動測定を可能にする。
• Winelandパラメータ ξW^2 を Var[dz]min とコントラスト C から測定し、dz = Sz^(A)/NA − Sz^(B)/NB。
• 二体相関関数 g(2)r を分析して相関の空間構造を探り、弱ドレッシング理論と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Rydberg-dressed相互作用を用いたニュートラル原子時計で、どの程度のスピン絞り込みが生成できるか？
• RQ2 実験的現実条件下で、サブアレイのサイズと相互作用範囲に対してWineland絞り込みパラメータはどのようにスケールするか？
• RQ3 独立した絞り込まれた系の差動時計測定は標準量子極限を上回り得るか、どれくらい上回るか？
• RQ4 有限範囲の相互作用と非弱ドレッシング補正が絞り込みダイナミクスと計測利得に及ぼす影響は？
• RQ5 相対的コヒーレンス時間を超える位相推定戦略は、このプラットフォームの絞り込みから利益を得るか？

主な発見

• ξW^2 が −3.8(6) dB、N=16 で、−3.4(3) dB、N=70 で達成された。
• 70原子アレイの2つの独立した絞り込まれた系間で、1.087(1)×10^−15/√τ の同期差動時計安定性を実証し、SQLより1.94(1) dB低い。
• N=70で27.6分のスケーリングで、差動時計安定性が3×10^−17以下へ外挿できることを観測。
• 有限範囲相互作用と非理想的ダイナミクスのため、最適絞り込みはNの増加とともに飽和し、単純な弱ドレッシング予測と乖離した。
• 二体相関関数 g(2)r が相互作用範囲 Rb に相当する長さまでの相関を示し、理論的期待と整合。
• ランダム化位相領域で、メトロロジーを原子-レーザーコヒーレンスを超えるようにする位相移動と楕円フィット法を実証。