[논문 리뷰] Realizing spin squeezing with Rydberg interactions in a programmable optical clock

William J. Eckner, Nelson Darkwah Oppong외 6명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 14.

Advanced Frequency and Time Standards인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 프로그래머블 neutral-atom 배열에서 Rydberg-dressed 상호작용을 통한 스핀 압축을 보여주며, 하위 SQL differential stability 및 계측 이득을 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 프로그래머블 neutral-atom 배열에서 Rydberg-dressed 상호작용을 이용하여 광학 시계 전이에서 스핀 압축을 입증한다.
• Wineland 압축 매개변수로 계측 이득을 정량화하고 SQL 이하의 차등 시계 안정성을 평가한다.
• 로컬 단일 큐비트 제어를 사용하여 위상 추정 향상과 상대적 코히런스 시간 이상의 측정을 탐구한다.
• 부분 배열에서 Rydberg 매개 상호작용의 범위와 특성을 특성화하고 이를 압축 성능과 연관지는다.

제안 방법

• 유효 해밀토니언을 H = Hc + HöRyd로 모델링한다. Hc = ħΩc Scx이고 HöRyd = (1/4) sum_{i<j} Vij σz^(i) σz^(j) + (1/2) sum_i δi σz^(i)이다.
• 약한 드레싱(weak-dressing)을 사용하여 soft-core 상호작용 Vij = V0 / [1 + (rij / Rb)^6]를 구현하며, V0 = ħ β^3 Ωr 및 Rb = |C6/(2Δ)|^(1/6)이다.
• 상호작용 항을 분리하기 위해 스핀 에코 스퀴싱 프로토콜을 구현하고, 제어된 얽힘 생성을 위해 tint를 적용한다.
• 프로그래머블 광 트위저 배열과 2D 격자를 활용하여 부분 배열을 준비하고 읽어들여 A와 B 간 차등 측정을 가능하게 한다.
• Wineland 매개변수 ξW^2로 압축을 Var[dz]min 및 대비 C에서 측정하며, dz = Sz^(A)/NA − Sz^(B)/NB.
• 두 입자 상관관계 g(2)r을 분석하여 상관관계의 공간 구조를 탐색하고 이를 약한 드레싱 이론과 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Rydberg-dressed 상호작용을 이용한 중성-원자 시계에서 생성될 수 있는 스핀 압축 수준은 어느 정도인가?
• RQ2 Wineland 압축 매개변수는 부분 배열 크기와 상호작용 범위에 따라 현실적 실험 조건에서 어떻게 규모화되는가?
• RQ3 독립적으로 압축된 두 개의 엔셀루가 아닌 ensemble 간 차등 시계 측정이 표준 양자 한계를 능가할 수 있는가, 그리고 그 정도는?
• RQ4 유한 범위 상호작용 및 비-약한 드레싱 보정이 스퀴징 다이나믹스와 계측 이득에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 상대 코히런스 시간 너머의 위상 추정 전략은 이 플랫폼에서 압축으로부터 이익을 얻는가?

주요 결과

• ξW^2를 −3.8(6) dB(N=16) 및 −3.4(3) dB(N=70)까지의 스핀 압축을 달성했다.
• 두 독립 압축 어레이 간의 동시 차등 시계 안정성을 70-원자 배열에서 1.087(1)×10^−15/√τ로 시연했고, SQL보다 1.94(1) dB 낮다.
• N=70에서 27.6분에 대해 차등 시계 안정성이 3×10^−17 이하로 외삽되었다고 관찰했다.
• 유한 범위 상호작용과 비이상적 역학으로 인해 최적 압축은 N 증가에 따라 포화되며 단순한 약한 드레싱 예측과 다르게 나타난다.
• 두 입자 상관관계 g(2)r를 측정한 결과 상관이 상호작용 범위 Rb와 비슷한 길이까지 확장되는 것이 관찰되었으며, 이론적 기대와 일치한다.
• 무작위 위상 영역에서 원자-레이저 코히런스를 넘어서는 계측을 가능하게 하는 위상 이동 및 타원 적합(ellipse-fitting) 접근법을 시연했다.