[논문 리뷰] A tweezer clock with half-minute atomic coherence at optical frequencies and high relative stability

Aaron W. Young, William J. Eckner외 7명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 13.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 72인용 수 212

한 줄 요약

이 논문은 88Sr 원자를 사용한 2차원 광학 트랩 어레이 시계를 제시하며, 원자 공명 시간이 40초를 초월하고 상대적 분수 안정도가 5.2(3)×10⁻¹⁷ (τ/s)⁻¹/²에 도달한다. 813 nm에서의 얕은 시계-마법 위치 에너지와 515 nm에서의 강한 구속 보조 위치 에너지를 조합함으로써, 고정밀 상태 준비, 위치 해상도가 있는 독독, 그리고 감쇠를 억제할 수 있으며, 이는 품질 인자 Q가 10¹⁶를 초월하고 약 150개 원자로 이루어진 집합체에서 장수명 양자 공명을 가능하게 한다.

ABSTRACT

The preparation of large, low-entropy, highly coherent ensembles of identical quantum systems is foundational for many studies in quantum metrology, simulation, and information. Here, we realize these features by leveraging the favorable properties of tweezer-trapped alkaline-earth atoms while introducing a new, hybrid approach to tailoring optical potentials that balances scalability, high-fidelity state preparation, site-resolved readout, and preservation of atomic coherence. With this approach, we achieve trapping and optical clock excited-state lifetimes exceeding $ 40 $ seconds in ensembles of approximately $ 150 $ atoms. This leads to half-minute-scale atomic coherence on an optical clock transition, corresponding to quality factors well in excess of $10^{16}$. These coherence times and atom numbers reduce the effect of quantum projection noise to a level that is on par with leading atomic systems, yielding a relative fractional frequency stability of $5.2(3) imes10^{-17}~( au/s)^{-1/2}$ for synchronous clock comparisons between sub-ensembles within the tweezer array. When further combined with the microscopic control and readout available in this system, these results pave the way towards long-lived engineered entanglement on an optical clock transition in tailored atom arrays.

연구 동기 및 목표

• 양자 미측정을 위한 확장 가능한 광학 트랩 어레이에서 장수명이고 고공명 원자 집합체를 달성하기 위해.
• 원자 수를 늘리면서도 공명을 유지함으로써 양자 투영 노이즈를 감소시키기 위해.
• 큰 고공명 원자 어레이에서 미세한 제어와 위치 해상도가 있는 독독을 가능하게 하기 위해.
• 트랩 기반 광학 시계에서 터널링과 라만 산란을 독립적으로 제어함으로써 높은 안정성을 달성하기 위해.
• 공학적 얽힘과 광학 시계 전이에서 장수명 공명을 갖는 양자 정보 처리를 위한 길을 열기 위해.

제안 방법

• 하이브리드 광학 위치 에너지를 활용: 시계 작동을 위한 얕은 813 nm '과학' 위치 에너지와 강한 구속을 위한 515 nm '보조' 위치 에너지.
• 1.2–1.5 µm 간격을 가진 320개의 위치 트랩 어레이를 사용하여 88Sr 원자를 고밀도로 위치 해상도가 있는 트랩에 포획.
• 교차 광학 격자에 의한 사이드밴드 냉각을 적용하여 축 방향으로 0.1 이하의 진동수 상태를 달성.
• 보조 위치 에너지에서 과학 위치 에너지로의 단서적 전이를 수행하여 공명을 유지하고 장수명 시계 상태 농도를 가능하게 함.
• 서브집합 간 동기 비교를 통한 라마르 스펙트로스코피를 이용하여 안정도 측정.
• 자기 방출, 화이트볼드 복사, 레일리 산란을 포함한 마스터 방정식을 사용한 감쇠 모델링 및 레이저 노이즈를 고려한 10개의 위상 이동에 대한 수치 시뮬레이션 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 88Sr 원자로 이루어진 큰 위치 해상도 트랩 어레이에서 40초를 초월하는 원자 공명 시간을 달성할 수 있는가?
• RQ2 약 150개 원자를 가진 트랩 기반 광학 시계에서 달성 가능한 최대 상대적 분수 안정도는 얼마인가?
• RQ3 고정 격자 시스템의 한계를 넘어서 터널링과 라만 산란을 독립적으로 제어할 수 있는가?
• RQ4 강한 구속 틈새에서 유한한 온도의 진동 상태가 시계 펄스의 정밀도를 어느 정도 제한하는가?
• RQ5 고정밀 상태 준비, 장수명 공명, 위치 해상도 제어의 조합이 향후 얽힘 기반 양자 미측정을 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 3P0 → 3P1 시계 전이에서 46(5) 초의 자극 상태 수명을 달성하였으며, 일부 원자에서는 최대 48(8) 초의 공명 시간을 기록하였다.
• 30초 수준의 원자 공명이 관측되었으며, 이는 품질 인자 Q = 6.5(1.1)×10¹⁶에 해당한다.
• 서브집합 간 동기 비교에서 상대적 분수 안정도가 5.2(3)×10⁻¹⁷ (τ/s)⁻¹/²에 도달하였다.
• 사이드밴드 냉각 후 평균 진동수 상태는 축 및 반경 방향에서 각각 0.07±0.06로, 0.1 이하의 진동수 상태 준비를 나타낸다.
• 모델링 결과 현재 조건에서는 π-펄스 정밀도가 0.90으로 제한되나, 향후 구속 성능 향상으로 99.94%까지 도달할 수 있다.
• 원자 위치 정밀도가 100 nm 이내이며, 위치 해상도 독독이 가능하여 향후 다체 얽힘 제어가 가능해진다.