[논문 리뷰] Direct comparison of two spin squeezed optical clocks below the quantum projection noise limit

John Robinson, Maya Miklos외 6명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 16.

Advanced Frequency and Time Standards인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 캐비티 양자전기역학(cQED) 플랫폼을 사용하여 두 개의 스핀압축된 광학 시계 간의 직접 비교를 수행하며, 10⁻¹⁷ 측정 정밀도에서 양자 프로젝션 노이즈 한계 이하 2.0(3) dB, 표준 양자 한계 이상 0.6(3) dB의 성과를 달성한다. 두 개의 독립된 원자 군집에서 동시에 압축과 차등 측정을 가능하게 하여, 기술적 노이즈 제거 없이도 양자 얽힘에 기인한 시계 안정성 향상에 대한 명확한 증거를 제공한다.

ABSTRACT

Building scalable quantum systems that demonstrate genuine performance enhancement based on entanglement is a major scientific goal for fields including computing, networking, simulations, and metrology. The tremendous challenge arises from the fragility of entanglement in increasingly larger sized quantum systems. Optical atomic clocks utilizing a large number of atoms have pushed the frontier of measurement science, building on precise engineering of quantum states and control of atomic interactions. However, today's state-of-the-art optical atomic clocks are limited by the quantum projection noise (QPN) defined by many uncorrelated atoms. Pioneering work on producing spin squeezed states of atoms has shown a path towards integrating entanglement into the best performing clocks. However, to directly demonstrate advantage of quantum entanglement in a working clock we must prevent backaction effects that degrade quantum coherence and introduce uncontrolled perturbations, as well as minimize the influence of technical noise arising from the interrogating clock laser. Here we present a new optical clock platform integrated with collective strong-coupling cavity QED for quantum non-demolition (QND) measurement. Optimizing the competition between spin measurement precision and loss of coherence, we measure a Wineland parameter of -1.8(7) dB for 1.9x10$^4$ atoms, thus verifying the presence of entanglement. Furthermore, a moving lattice allows the cavity to individually address two independent sub-ensembles, enabling us to spin squeeze two clock ensembles successively and compare their performance. This differential comparison between the two squeezed clocks directly verifies enhanced clock stability of 2.0(3) dB below QPN, and 0.6(3) dB above the standard quantum limit (SQL), at the measurement precision level of 10$^{-17}$, without subtracting any technical noise contributions.

연구 동기 및 목표

• 양자 프로젝션 노이즈 한계 이하에서 안정성이 향상된 양자 우월성을 직접 입증함으로써 광학 시계에서의 양자 우월성을 입증하기 위해.
• 큰 원자 시스템에서 혼돈을 유발하고 양자 우월성을 가림으로써 성능을 떨어뜨리는 반작용과 기술적 노이즈의 과제를 극복하기 위해.
• 동시에 스핀 압축과 두 개의 독립된 원자 시계 간의 차등 비교를 가능하게 하는 이중 군집 cQED 아키텍처를 구현하기 위해.
• 기술적 노이즈 기여를 제거하지 않고도 고정밀도(10⁻¹⁷ 수준)에서 양자 프로젝션 노이즈 이하의 안정성을 달성하기 위해.
• 소음에 민감하지 않은 직접 비교를 통해 작동하는 시계 플랫폼에서 스핀압축 상태의 성능을 검증하기 위해.

제안 방법

• 동일한 원자 클러스터 내에서 두 개의 하위 군집을 독립적으로 트랩하고 접근하기 위해 이동 가능한 수직 광학 격자를 사용한다.
• 강한 결합을 통해 원자 스핀 상태의 양자 비파괴(QND) 측정을 가능하게 하는 캐비티 양자전기역학(cQED)을 적용한다.
• 두 군집 모두에서 스핀압축 상태를 생성하기 위해 레이저 펄스 시퀀스를 적용한 후, 위상 측정을 위해 라마르 간섭측정을 수행한다.
• 두 군집 간의 차등 측정을 통해 공통 모드 레이저 노이즈를 상쇄시켜 노이즈 제거 없이도 안정성을 향상시킨다.
• 차등 위상 노이즈를 최소화하고 가능한 한 작은 불확도를 추출하기 위해 최적의 추정기(βA, βB, βD)를 사용한다.
• 측정된 캐비티 주파수 이격을 원자 수 차이로 변환한 후, 라마르 프린지 캘리브레이션을 통해 위상 차이로 변환한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 두 개의 독립된 원자 군집에서 스핀압축 상태를 사용하여, 양자 프로젝션 노이즈 한계 이하에서 안정성이 향상된 상태로 시계 성능을 직접 비교할 수 있는가?
• RQ2 기술적 노이즈와 반작용은 얼마나 억제될 수 있으며, 이는 광학 시계에서 진정한 양자 우월성을 드러내는 데 기여하는가?
• RQ3 두 개의 압축된 시계 간의 차등 비교는 어떻게 10⁻¹⁷ 수준에서 소음에 민감하지 않은 안정성 측정을 가능하게 하는가?
• RQ4 기술적 노이즈 제거 없이 측정된 스핀압축으로 인해 실제로 얻어진 시계 안정성 향상은 어느 정도인가?
• RQ5 실제 운영 조건에서 작동하는 시계 플랫폼에서 윈랜드 매개변수를 사용하여 양자 얽힘을 검증할 수 있는가?

주요 결과

• 1.9 × 10⁴개의 원자에서 윈랜드 매개변수 -1.8(7) dB를 달성하여, 시스템 내에서 양자 얽힘이 존재하는 것을 확인한다.
• 차등 비교 결과, 10⁻¹⁷ 측정 정밀도에서 양자 프로젝션 노이즈 한계 이하 2.0(3) dB의 안정성 향상을 보였다.
• 시스템은 표준 양자 한계 이하 0.6(3) dB에서 작동하여 뚜렷한 양자 우월성을 보였다.
• 최적의 추정기 βD = 0.907(5)는 두 군집 간의 비대칭 노이즈가 최소임을 나타내며, 양자 프로젝션 노이즈에 미치는 영향은 0.05 dB에 불과하다.
• 측정된 위상 불확도는 표준 양자 한계에 의해 제한되며, 공통 모드 상쇄 기법으로 인해 기술적 노이즈로 인한 심각한 악화가 없었다.
• 이동 가능한 격자를 사용함으로써, 고조화도와 낮은 교란을 유지하면서도 두 원자 군집의 독립적 제어 및 측정이 가능했다.