[论文解读] A tweezer clock with half-minute atomic coherence at optical frequencies and high relative stability

Aaron W. Young, William J. Eckner+7 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2020

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 72被引用 212

一句话总结

该论文提出一种基于 88Sr 原子的二维光镊阵列钟，实现了超过 40 秒的原子相干时间，以及 5.2(3)×10⁻¹⁷ (τ/s)⁻¹/² 的相对分数频率稳定性。通过结合 813 nm 的浅钟-魔法势阱与 515 nm 的强约束辅助势阱，该系统实现了高保真度态制备、位点分辨读出，并抑制退相干，从而实现超过 10¹⁶ 的品质因数，使约 150 个原子的系综能够实现长寿命量子相干。

ABSTRACT

The preparation of large, low-entropy, highly coherent ensembles of identical quantum systems is foundational for many studies in quantum metrology, simulation, and information. Here, we realize these features by leveraging the favorable properties of tweezer-trapped alkaline-earth atoms while introducing a new, hybrid approach to tailoring optical potentials that balances scalability, high-fidelity state preparation, site-resolved readout, and preservation of atomic coherence. With this approach, we achieve trapping and optical clock excited-state lifetimes exceeding $ 40 $ seconds in ensembles of approximately $ 150 $ atoms. This leads to half-minute-scale atomic coherence on an optical clock transition, corresponding to quality factors well in excess of $10^{16}$. These coherence times and atom numbers reduce the effect of quantum projection noise to a level that is on par with leading atomic systems, yielding a relative fractional frequency stability of $5.2(3) imes10^{-17}~( au/s)^{-1/2}$ for synchronous clock comparisons between sub-ensembles within the tweezer array. When further combined with the microscopic control and readout available in this system, these results pave the way towards long-lived engineered entanglement on an optical clock transition in tailored atom arrays.

研究动机与目标

• 在可扩展的光学光镊阵列中实现长寿命、高相干性的原子系综，用于量子计量。
• 通过增加原子数同时保持相干性，降低量子投影噪声。
• 在大范围、相干的原子阵列中实现微观控制与位点分辨读出。
• 通过独立控制隧穿与拉曼散射，在基于光镊的光学钟中实现高稳定性。
• 为基于工程化纠缠与长相干时间的量子信息处理在光学钟跃迁上铺平道路。

提出的方法

• 采用混合光学势阱：813 nm 的‘科学’势阱用于钟操作，515 nm 的‘辅助’势阱用于强约束。
• 使用 320 位点光镊阵列，间距为 1.2–1.5 µm，实现高密度、位点分辨的 88Sr 原子捕获。
• 通过交叉光束光晶格实现侧带冷却，使所有方向的振动量子数低于 0.1。
• 通过绝热转移将原子从辅助势阱转移到科学势阱，以保持相干性并实现长寿命钟态布居。
• 采用拉比姆光谱法，通过子系综间的同步比较测量稳定性。
• 利用主方程模型模拟退相干，包含自发辐射、黑体辐射和瑞利散射，并通过数值模拟 10 个相位偏移以考虑激光噪声。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在 88Sr 原子的大规模、位点分辨光镊阵列中实现超过 40 秒的原子相干时间？
• RQ2 在约 150 个原子的基于光镊的光学钟中，可实现的最高相对分数频率稳定性是多少？
• RQ3 能否通过独立控制隧穿与拉曼散射，将相干时间延长至超越固定晶格系统极限？
• RQ4 有限温度下的振动激发在强约束阱中对钟脉冲保真度的限制程度如何？
• RQ5 高保真度态制备、长相干时间与位点分辨控制的结合，能否为未来的纠缠基量子计量提供支持？

主要发现

• 系统在 3P0 → 3P1 钟跃迁中实现了 46(5) 秒的激发态寿命，部分原子的相干时间最高达 48(8) 秒。
• 观测到约半分钟量级的原子相干时间，对应品质因数 Q = 6.5(1.1)×10¹⁶。
• 相对分数频率稳定性达到 5.2(3)×10⁻¹⁷ (τ/s)⁻¹/²，用于子系综间的同步比较。
• 侧带冷却后，轴向与径向的平均振动量子数为 0.07±0.06，表明实现了低于 0.1 振动量子数的态制备。
• 模拟表明，在当前条件下 π 脉冲保真度受限于 0.90，但若改善约束，可提升至 99.94%。
• 系统实现了 100 nm 精度的原子定位与位点分辨读出，为未来多体纠缠控制提供了可能。