[論文レビュー] Seconds-scale coherence in a tweezer-array optical clock

Matthew A. Norcia, Aaron W. Young+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 24, 2019

Advanced Frequency and Time Standards参考文献 45被引用数 30

ひとこと要約

この論文は、光学トランシーバーに捕らえられた個々のストロンチウム原子のアレイを用いて、秒単位のコherencesを実証した。繰り返しの測定により、3.4秒のコherences時間と96%のデューティーサイクルを達成した。このプラットフォームは、単一粒子制御とアンサンブル平均化を組み合わせ、$4.7 \times 10^{-16}(\tau/s)^{-1/2}$ の周波数安定性を実現し、光学トランシーバー・アレイが高精度メトロロジーおよび量子情報処理のスケーラブルなプラットフォームであることを示した。

ABSTRACT

Optical clocks based on atoms and ions achieve exceptional precision and accuracy, with applications to relativistic geodesy, tests of relativity, and searches for dark matter. Achieving such performance requires balancing competing desirable features, including a high particle number, isolation of atoms from collisions, insensitivity to motional effects, and high duty-cycle operation. Here we demonstrate a new platform based on arrays of ultracold strontium atoms confined within optical tweezers that realizes a novel combination of these features by providing a scalable platform for isolated atoms that can be interrogated multiple times. With this tweezer-array clock, we achieve greater than 3 second coherence times and record duty cycles up to 96%, as well as stability commensurate with leading platforms. By using optical tweezer arrays --- a proven platform for the controlled creation of entanglement through microscopic control --- this work further promises a new path toward combining entanglement enhanced sensitivities with the most precise optical clock transitions.

研究の動機と目的

• 単一イオンと光学格子時計の長所を組み合わせることで、スケーラブルな高精度光学周波数メトロロジーのためのプラットフォームを開発すること。
• 光学トランシーバーを用いて、個々に制御可能な中性原子系で長時間のコherencesを達成すること。
• 原子アンサンブルの高デューティーサイクル測定を可能にし、レーザー雑音のアリヤシングを低減するとともに周波数安定性を向上させること。
• 制御されたアレイ内でエンタングルメント強化感度と高コherences光学時計遷移を組み合わせる可能性を検討すること。
• ボソン的88Sr原子に特有の系統的シフトを評価し、$10^{-17}$レベルでの精度を確保すること。

提案手法

• 高数値孔径のオブジェクティブラセンスを用いて、2次元の光学トランシーバー・アレイに個々の88Sr原子を捕らえることで、きつい閉じ込めポテンシャルを形成する。
• 1S0–3P0時計遷移における微分光シフトを最小限に抑えるために、マジック波長近くで動作させ、局所的な強度に敏感でないようにする。
• 繰り返しイメージング技術を実装：各測定後、原子を基底状態に再ポンプし、その後の測定のために再びトランシーバーに再ロードする。
• 200E_Rの深いトランシーバー・ポテンシャルを用いたラーマン分光法により、ラビ振動信号のフレアービジビリティを測定することでコherences時間を評価する。
• 狭帯域ラビ分光法を用い、フォーリエ制限帯域幅（450(20) mHz）を実現し、遷移を特徴づけ、コherencesを確認する。
• 非破壊的検出として蛍光イメージングを用い、各プローブパルス後に3P0状態の状態人口をモニタリングすることで、同じアンサンブルを繰り返し測定可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光学トランシーバー・アレイは、制御された中性原子アレイにおける光学時計遷移で秒単位のコherences時間を達成できるか？
• RQ2 同じ原子アンサンブルを繰り返し測定することで、デューティーサイクルを向上させ、レーザー雑音のアリヤシングを低減できる程度はどの程度か？
• RQ3 トランシーバー基盤の光学時計で達成可能な周波数安定性は何か？ また、最先端のプラットフォームと比較してどうか？
• RQ4 特にプローブ強度、磁場、偏光不均一性に起因する系統的シフトは、時計の正確性にどのように影響するか？
• RQ5 トランシーバーにおける微視的制御と高粒子数の両方を組み合わせることで、量子投影ノイズの低減とコherencesの向上を両立できるか？

主な発見

• 200E_Rの深い光学トランシーバーを用いたラーマン分光法により、3.4(4)秒のコherences時間を達成し、光学時計遷移の秒単位の安定性を実証した。
• 1つの原子アンサンブルを繰り返し測定し、最大96%のデューティーサイクルを達成した。これにより、停止時間の大幅な低減とレーザー雑音のアリヤシング低減が実現された。
• 周波数安定性は$4.7 \times 10^{-16}(\tau/s)^{-1/2}$に達し、最先端の光学格子時計およびイオントラップ時計と同等の性能を示した。
• 狭帯域ラビ分光法により、1.5秒のプローブ時間でフォーリエ制限帯域幅450(20) mHzを達成し、高いスペクトル分解能とコherencesを確認した。
• ボソン的88Sr原子を用いたが、コherencesに悪影響を及げず、第二準位ゼーマンシフトおよびスターリングシフトを含む系統的シフトはすべて$10^{-17}$レベルに抑えられ、他の最先端プラットフォームと同等であった。
• 大規模アンサンブル（500原子以上が可能）のスケーラブルな制御が可能であり、量子投影ノイズの低減により現在の安定性限界を超える可能性を秘めている。