[논문 리뷰] An atomic clock with $10^{-18}$ instability

N. Hinkley, Jeffrey A. Sherman외 7명|arXiv (Cornell University)|2013. 05. 24.

Advanced Frequency and Time Standards인용 수 82

한 줄 요약

이 논문은 스핀 균형을 가진 초저온 이트륨-171 원자를 사용한 광학 격자 시계를 보고하며, 평균화 시간 7시간 동안 분수 주파수 불안정도 $1.6 imes 10^{-18}$ 를 달성하여 $10^{-18}$ 수준 정밀도로 향하는 중요한 이정표를 마련한다. 시스템은 두 개의 독립된 시계를 사용해 성능을 상호 비교하며, 불안정성은 주로 양자 투영 노이즈와 딕 효과에 의해 제한된다. 또한 교차 조사 및 향상된 레이저 안정성으로 인해 100초 이내에 $10^{-18}$ 수준의 불안정도를 달성할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

Atomic clocks have been transformational in science and technology, leading to innovations such as global positioning, advanced communications, and tests of fundamental constant variation. Next-generation optical atomic clocks can extend the capability of these timekeepers, where researchers have long aspired toward measurement precision at 1 part in $\bm{10^{18}}$. This milestone will enable a second revolution of new timing applications such as relativistic geodesy, enhanced Earth- and space-based navigation and telescopy, and new tests on physics beyond the Standard Model. Here, we describe the development and operation of two optical lattice clocks, both utilizing spin-polarized, ultracold atomic ytterbium. A measurement comparing these systems demonstrates an unprecedented atomic clock instability of $\bm{1.6 imes 10^{-18}}$ after only $\bm{7}$ hours of averaging.

연구 동기 및 목표

• 차세대 시계 정밀도를 위한 핵심 기준인 $10^{-18}$ 수준의 분수 주파수 불안정도를 달성하기 위해 광학 원자 시계에서 이를 실현하는 것.
• 초저온 이트륨-171 원자를 사용한 광학 격자 시계가 상대성 지구측정 및 기본 물리학 실험에 적합한 불안정도 수준에 도달할 수 있음을 보여주는 것.
• 불안정도 성능을 제한하는 주요 노이즈 원인—특히 딕 효과와 양자 투영 노이즈—를 규명하고 이를 완화하는 것.
• 향상된 레이저 안정성과 교차 조사 기법을 통해 100초 이내에 $10^{-18}$ 수준의 불안정도를 달성할 수 있는 가능성에 대한 검증.
• 광학 주파수 기반 표준으로서 SI 초의 향후 재정의를 위한 기초를 마련하는 것.

제안 방법

• 스핀 균형을 가진 초저온 이트륨-171 원자를 사용한 두 개의 독립된 광학 격자 시계를 동시에 운용하여 직접 비교 및 불안정도 측정이 가능하도록 한다.
• 원자를 '마법의 파장'에서 3차원 광학 격자에 갇혀, 시계 전이에 대한 빛 이완 스타크 이완 효과를 상쇄시켜 체계적 주파수 이완을 최소화한다.
• 레이저 피드백 시스템을 사용해 시계 레이저를 원자 전이에 고정하며, 공격 시간이 몇 초 수준이며, 앨런 분산을 다양한 평균화 시간에 대해 불안정도를 정량화하는 데 사용한다.
• 두 원자 시스템을 사용한 교차 라마르 스펙트로스코피를 구현하여 로컬 오실레이터 주파수를 지속적으로 모니터링함으로써 딕 효과를 억제한다.
• 양자 투영 노이즈(QPN)를 기본 양자 한계로 추정하고, 시스템 성능을 이론적 QPN 및 딕 효과 모델과 비교한다.
• 흑체 스타크 이완, 원자 간 충돌, 격자 빛 이완 등의 체계적 불확실성을 최소화하고 감시하여 장기적 안정성과 정확도를 확보한다.

Figure 1: (A) Laser light at 578 nm is pre-stabilized to an isolated, high-finesse optical cavity using Pound-Drever-Hall detection and employing electronic feedback to an acousto-optic modulator (AOM) and laser piezoelectric-transducer. This stable laser light is then delivered to the Yb-1 and Yb-2

실험 결과

연구 질문

• RQ1 7시간 동안의 평균화 후 광학 격자 시계가 분수 주파수 불안정도 $1.6 \times 10^{-18}$ 를 달성할 수 있는가?
• RQ2 고성능 광학 시계에서 딕 효과가 불안정도에 얼마나 큰 영향을 미치며, 이를 억제할 수 있는가?
• RQ3 두 원자 시스템에 대한 교차 조사 기법이 딕 효과를 상당히 감소시켜 100초 이내에 $10^{-18}$ 수준의 불안정도를 달성할 수 있는가?
• RQ4 양자 투영 노이즈와 레이저 주파수 노이즈가 함께 광학 시계의 궁극적 불안정도를 어떻게 제약하는가?
• RQ5 체계적 불확실성은 $10^{-18}$ 수준의 불안정도 및 향후 $10^{-17}$ 수준의 정확도를 지원하기에 충분히 제어될 수 있는가?

주요 결과

• 두 시계 비교를 통해 7시간 동안의 평균화 후 분수 주파수 불안정도 $1.6 \times 10^{-18}$ 를 달성하였으며, 이는 시계 안정성 향상에 있어 중요한 도약이다.
• 25,000초의 평균화 시간에서 불안정도가 $1.6 \times 10^{-18}$ 에 도달하여 양자 투영 노이즈 한계에 가까워졌다.
• 관측된 불안정도는 양자 투영 노이즈와 딕 효과의 이론적 기여를 종합한 결과와 매우 유사하여, 이들이 주요 노이즈 원인임을 시사한다.
• 딕 효과는 여전히 중요한 제한 요소이며, 현재의 레이저 안정성으로도 양자 투영 노이즈 한계보다 몇 배나 높은 기여를 한다.
• 두 원자 시스템에 대한 교차 조사 기법은 딕 효과를 억제할 수 있으며, 레이저 주파수 노이즈 향상과 더 긴 조사 시간을 적용하면 100초 이내에 $10^{-18}$ 수준의 불안정도를 달성할 수 있다.
• 체계적 불확실성—특히 흑체 스타크 이완—은 $3 \times 10^{-16}$ 수준으로 감소되었으며, 향후 추가 감소로 장기적 불안정도 향상이 기대된다.

Figure 2: (A) Correction frequencies, $f_{1,2}(t)$ , are shown in red and black. Dominant LO fluctuations are due to the cavity and are thus common to the atomic systems. (B) Frequency difference between the two Yb clock systems, $f_{2}(t)-f_{1}(t)$ , for a 5,000 s interval. (C) Data set $f_{2}(t)-f