[논문 리뷰] Cryogenic optical lattice clocks with a relative frequency difference of $1 imes 10^{-18}$

Manoj Das, Hidetoshi Katori외 3명|arXiv (Cornell University)|2014. 05. 16.

Advanced Frequency and Time Standards참고 문헌 27인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 $^{87}$Sr 원자를 사용한 냉각된 광학 격자 시계를 통해 한 달간 운영한 결과 상대 주파수 차이가 $(-1.1 \pm 1.6) \times 10^{-18}$인 두 시계 간의 일치를 입증하며, 블랙바디 복사에 기인한 이완을 감소시키고 두 시간 내에 $2 \times 10^{-18}$의 불확도로 양자 제한 안정성을 달성한다. 냉각 환경은 체계적 오차를 억제하여 광학 시계가 SI 초 재정의를 위한 $1 \times 10^{-18}$ 정확도 임계점에 도달하도록 한다.

ABSTRACT

Time and frequency are the most accurately measurable quantities, providing foundations for science and modern technologies. The accuracy relies on the SI (Systeme International) second that refers to Cs microwave clocks with fractional uncertainties at $10^{-16}$. Recent revolutionary progress of optical clocks aims to achieve $1 imes 10^{-18}$ uncertainty, which however has been hindered by long averaging-times or by systematic uncertainties. Here, we demonstrate optical lattice clocks with $^{87}$Sr atoms interrogated in a cryogenic environment to address the blackbody radiation-induced frequency-shift, which remains the primary source of clocks' uncertainties and has initiated vigorous theoretical and experimental investigations. The quantum-limited stability for $N \sim 1,000$ atoms allows investigation of the uncertainties at $2 imes 10^{-18}$ in two hours of clock operation. After 11 measurements performed over a month, the two cryo-clocks agree to within $(-1.1\pm 1.6) imes 10^{-18}$. Besides its contribution to fundamental science and the redefinition of the SI second, such a speedy comparison of accurate clocks provides a means for relativistic geodesy.

연구 동기 및 목표

• 광학 시계에서 주요 불확도 원인인 블랙바디 복사에 기인한 주파수 이완을 줄이기 위해 광학 격자 시계를 냉각 환경에서 작동시킴으로써.
• SI 초 재정의를 목표로 상대 주파수 안정성을 $1 \times 10^{-18}$으로 달성하기 위해.
• 양자 제한 안정성을 $N \sim 1,000$개의 $^{87}$Sr 원자에서 입증하여 짧은 평균 시간 내 고정밀 측정을 가능하게 하기 위해.
• 체계적 오차를 최소화하고 장기 안정성을 향상시켜 일반 상대성 이론 기반 지구측량을 위한 정밀한 시계 비교를 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 636 nm에서 시계 전이를 일관적으로 조사하기 위해 광학 격자에 갇힌 $^{87}$Sr 원자를 사용함.
• 블랙바디 복사 이완을 억제하기 위해 시계 장치를 냉각 환경에서 작동시킴.
• 기술적 노이즈를 최소화하고 측정 정밀도를 향상시키기 위해 $N \sim 1,000$개 원자에서 양자 제한 안정성 프로토콜을 적용함.
• 장기 안정성과 일치도를 평가하기 위해 한 달 동안 두 개의 독립된 냉각 시계 간에 반복적인 비교를 수행함.
• 공명 상태 유지와 측정 불확도 감소를 위해 고정밀 상태 준비 및 탐지 기법을 사용함.
• 두 시계 간의 체계적 드리프트를 제거하기 위해 공통 기준을 사용하여 주파수 비교를 수행함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 냉각 작동이 광학 격자 시계에서 블랙바디 복사에 기인한 주파수 이완을 상당히 감소시키는가?
• RQ2 냉각된 광학 격자에서 $N \sim 1,000$개의 $^{87}$Sr 원자에서 얼마나 높은 수준의 양자 제한 안정성을 달성할 수 있는가?
• RQ3 두 개의 독립적으로 작동하는 냉각된 광학 격자 시계 간에 $10^{-18}$ 수준에서 장기적으로 일치하는가?
• RQ4 이러한 시계는 고정밀 주파수 비교를 통해 정밀한 일반 상대성 기반 지구측량을 가능하게 하는가?

주요 결과

• 한 달 동안 11회의 측정을 통해 두 냉각 광학 격자 시계가 $(-1.1 \pm 1.6) \times 10^{-18}$ 이내로 일치함을 입증하여 놀라운 장기 안정성을 보였다.
• 두 시간 내에 상대 불확도가 $2 \times 10^{-18}$로 달성되어 $N \sim 1,000$개 원자에서 양자 제한 안정성이 실현됨을 나타냄.
• 냉각 작동이 블랙바디 복사 이완을 효과적으로 억제하여 광학 시계에서 가장 큰 체계적 불확도 원인을 줄임.
• 이 결과는 SI 초 재정의를 위한 $1 \times 10^{-18}$ 불확도 수준에 도달하기 위한 중요한 단계를 대표함.
• 고정밀 시계 비교는 중력 레드시프트를 통한 고도 차이 측정과 같은 일반 상대성 기반 지구측량 응용을 가능하게 함.