[论文解读] An atomic clock with $10^{-18}$ instability

N. Hinkley, Jeffrey A. Sherman+7 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2013

Advanced Frequency and Time Standards被引用 82

一句话总结

该论文展示了一种基于自旋极化超冷镱原子的光晶格钟，经过7小时平均后，实现了$1.6 \times 10^{-18}$的分数频率不稳定度，标志着迈向$10^{-18}$量级精度的重要里程碑。该系统采用两个独立钟进行性能交叉比较，不稳定度主要受量子投影噪声和Dick效应限制，并表明通过交错探测和改进激光稳定性，可在100秒内实现$10^{-18}$量级的不稳定度。

ABSTRACT

Atomic clocks have been transformational in science and technology, leading to innovations such as global positioning, advanced communications, and tests of fundamental constant variation. Next-generation optical atomic clocks can extend the capability of these timekeepers, where researchers have long aspired toward measurement precision at 1 part in $\bm{10^{18}}$. This milestone will enable a second revolution of new timing applications such as relativistic geodesy, enhanced Earth- and space-based navigation and telescopy, and new tests on physics beyond the Standard Model. Here, we describe the development and operation of two optical lattice clocks, both utilizing spin-polarized, ultracold atomic ytterbium. A measurement comparing these systems demonstrates an unprecedented atomic clock instability of $\bm{1.6 imes 10^{-18}}$ after only $\bm{7}$ hours of averaging.

研究动机与目标

• 在光学原子钟中实现$10^{-18}$量级的分数频率不稳定度，这是下一代时间标准的关键基准。
• 证明基于超冷镱原子的光晶格钟可达到适合相对论大地测量和基础物理检验的不稳定度水平。
• 识别并缓解主要噪声源，尤其是Dick效应和量子投影噪声，这些噪声限制了不稳定度性能。
• 验证通过改进激光稳定性和交错探测技术，可在100秒内实现$10^{-18}$量级不稳定度的可行性。
• 为未来基于光学频率标准重新定义国际单位制秒奠定基础。

提出的方法

• 并行运行两个基于自旋极化、超冷镱-171原子的独立光晶格钟，以实现直接比较和不稳定度测量。
• 原子在三维光晶格中被囚禁于‘魔法’波长，以抵消钟跃迁的光移斯塔克移位，最小化系统性频率偏移。
• 通过具有几秒响应时间的反馈系统将钟激光稳定至原子跃迁，使用阿伦方差量化不同平均时间下的不稳定度。
• 采用两种原子系统实施交错拉比谱，通过持续监测本振频率来抑制Dick效应。
• 将量子投影噪声（QPN）估计为基本量子极限，并将系统性能与理论QPN和Dick效应模型进行比较。
• 最小化并监测系统性不确定度（如黑体斯塔克移位、原子碰撞和晶格光移位），以确保长期稳定性和准确性。

Figure 1: (A) Laser light at 578 nm is pre-stabilized to an isolated, high-finesse optical cavity using Pound-Drever-Hall detection and employing electronic feedback to an acousto-optic modulator (AOM) and laser piezoelectric-transducer. This stable laser light is then delivered to the Yb-1 and Yb-2

实验结果

研究问题

• RQ1 光晶格钟能否在7小时平均后实现$1.6 \times 10^{-18}$的分数频率不稳定度？
• RQ2 Dick效应在高性能光学钟中对不稳定度的限制程度如何？能否被有效抑制？
• RQ3 对两个原子系统实施交错探测是否能显著降低Dick效应，并实现在100秒内达到$10^{-18}$不稳定度？
• RQ4 量子投影噪声与激光频率噪声如何共同制约光学钟的最终不稳定度？
• RQ5 系统性不确定度能否被控制到足够低的水平，以支持$10^{-18}$量级不稳定度及未来$10^{-17}$量级的精度？

主要发现

• 双钟比较表明，经过7小时平均后，分数频率不稳定度达到$1.6 \times 10^{-18}$，标志着钟稳定性的重大进展。
• 在25,000秒平均时间下，不稳定度达到$1.6 \times 10^{-18}$，接近量子投影噪声极限。
• 观测到的不稳定度与量子投影噪声和Dick效应的理论贡献之和高度吻合，表明这两者是主要噪声源。
• Dick效应仍是显著限制因素，即使在当前激光稳定性下，其贡献仍为量子投影噪声极限的数倍。
• 对两个原子系统实施交错探测可有效抑制Dick效应，尤其在激光频率噪声改善和探测时间延长时，有望在100秒内实现$10^{-18}$不稳定度。
• 系统性不确定度（尤其是黑体斯塔克移位）已降低至$3 \times 10^{-16}$量级，预计进一步降低将有助于提升长期不稳定度性能。

Figure 2: (A) Correction frequencies, $f_{1,2}(t)$ , are shown in red and black. Dominant LO fluctuations are due to the cavity and are thus common to the atomic systems. (B) Frequency difference between the two Yb clock systems, $f_{2}(t)-f_{1}(t)$ , for a 5,000 s interval. (C) Data set $f_{2}(t)-f