[论文解读] An $^{27}$Al$^{+}$ quantum-logic clock with systematic uncertainty below $10^{-18}$

Samuel M. Brewer, Jwo-Sy Chen+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2019

Advanced Frequency and Time Standards被引用 42

一句话总结

展示一个 27Al+ 量子逻辑时钟，总系统性不确定性为 9.4e-19 的稳定性为 1.2e-15/√τ，使用与 25Mg+ 的对称性冷却和改进的陷阱设计以接近 3D 基态运动。

ABSTRACT

We describe an optical atomic clock based on quantum-logic spectroscopy of the $^1$S$_0$ $\leftrightarrow$ $^3$P$_0$ transition in $^{27}$Al$^{+}$ with a systematic uncertainty of ${9.4 imes 10^{-19}}$ and a frequency stability of ${1.2 imes10^{-15}/\sqrtτ}$. A $^{25}$Mg$^{+}$ ion is simultaneously trapped with the $^{27}$Al$^{+}$ ion and used for sympathetic cooling and state readout. Improvements in a new trap have led to reduced secular motion heating, compared to previous $^{27}$Al$^{+}$ clocks, enabling clock operation with ion secular motion near the three-dimensional ground state. Operating the clock with a lower trap drive frequency has reduced excess micromotion compared to previous $^{27}$Al$^{+}$ clocks. Both of these improvements have led to a reduced time-dilation shift uncertainty. Other systematic uncertainties including those due to blackbody radiation and the second-order Zeeman effect have also been reduced.

研究动机与目标

• 展示一个27Al+量子逻辑时钟，系统性不确定性低于1e-18。
• 量化并缓解主导系统偏移，如多余微运动和时间膨胀。
• 展示改进的阱设计，实现近似3D基态运动的冷却。
• 将时钟稳定性与参考的Yb晶格时钟进行表征。
• 讨论对基本常数和潜在SI秒重新定义路线图的影响。

提出的方法

• 对27Al+的1S0 <-> 3P0跃迁进行量子逻辑光谱学。
• 使用共捕获的25Mg+离子进行对冷却和读出。
• 基态冷却序列和降低阱驱动以降低 EMM。
• 两束相对相反的时钟光束，配合多普勒跟踪伺服以抵消一阶多普勒。
• 蒙特卡洛分析将 EMM 测量的不确定性传递到位移预算。

实验结果

研究问题

• RQ1 在使用所述阱和冷却增强的情况下，27Al+量子逻辑时钟能实现的总分数频率不确定度是多少？
• RQ2 限制不确定度的主导系统偏移是什么，如何量化和降低？
• RQ3 实时微运动补偿对时间膨胀和与多普勒相关的位移有何影响？
• RQ4 在较长平均时间内，时钟稳定性与参考的Yb晶格时钟相比如何？
• RQ5 该装置能否在接近3D基态运动时钟操作以最小化多普勒偏移？

主要发现

• 总分数频率偏移为 Δν/ν = -9336.0(9.4)×10^-19，总系统性不确定性为 9.4×10^-19。
• 多余微运动对偏移贡献 -45.8(5.9)×10^-19。
• 黑体辐射贡献 -30.5(4.2)×10^-19。
• 二次 Zeeman 位移贡献 -9241.8(3.7)×10^-19。
• 惯性运动贡献 -17.3(2.9)×10^-19。
• 一阶多普勒和时钟激光斯塔克位移被约束为接近零，不确定性分别为2.2×10^-19和2.0×10^-19。