[论文解读] Cryogenic optical lattice clocks with a relative frequency difference of $1 imes 10^{-18}$

Manoj Das, Hidetoshi Katori+3 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2014

Advanced Frequency and Time Standards参考文献 27被引用 7

一句话总结

该论文展示了使用$^{87}$Sr原子的低温光学晶格钟，在运行一个月后，两台钟之间的相对频率差异为$(-1.1 \pm 1.6) \times 10^{-18}$，有效抑制了黑体辐射引起的频移，并在两小时内实现了$2 \times 10^{-18}$的量子极限稳定性。低温环境抑制了系统误差，推动光学钟迈向$1 \times 10^{-18}$精度阈值，为重新定义国际单位制秒奠定了基础。

ABSTRACT

Time and frequency are the most accurately measurable quantities, providing foundations for science and modern technologies. The accuracy relies on the SI (Systeme International) second that refers to Cs microwave clocks with fractional uncertainties at $10^{-16}$. Recent revolutionary progress of optical clocks aims to achieve $1 imes 10^{-18}$ uncertainty, which however has been hindered by long averaging-times or by systematic uncertainties. Here, we demonstrate optical lattice clocks with $^{87}$Sr atoms interrogated in a cryogenic environment to address the blackbody radiation-induced frequency-shift, which remains the primary source of clocks' uncertainties and has initiated vigorous theoretical and experimental investigations. The quantum-limited stability for $N \sim 1,000$ atoms allows investigation of the uncertainties at $2 imes 10^{-18}$ in two hours of clock operation. After 11 measurements performed over a month, the two cryo-clocks agree to within $(-1.1\pm 1.6) imes 10^{-18}$. Besides its contribution to fundamental science and the redefinition of the SI second, such a speedy comparison of accurate clocks provides a means for relativistic geodesy.

研究动机与目标

• 通过在低温环境下运行光学晶格钟，以显著降低光学钟中主要的不确定度来源——黑体辐射引起的频移。
• 实现$1 \times 10^{-18}$的相对频率稳定性，以实现国际单位制秒的重新定义。
• 在$N \sim 1,000$个$^{87}$Sr原子中实现量子极限稳定性，从而实现在短平均时间内的高精度测量。
• 通过最小化系统误差并提升长期稳定性，实现精确的钟比较，以支持相对论大地测量。

提出的方法

• 利用$^{87}$Sr原子在光学晶格中相干探测636 nm波长的钟跃迁。
• 在低温环境中运行钟装置，以抑制黑体辐射引起的频移。
• 对$N \sim 1,000$个原子采用量子极限稳定性协议，以最小化技术噪声并提高测量精度。
• 在为期一个月的时间内，对两台独立运行的低温钟进行多次重复比较，以评估其长期稳定性和一致性。
• 采用高保真态制备与探测技术，以维持相干性并降低测量不确定性。
• 使用共同参考频率进行频率比较，以消除两台钟之间的系统性漂移。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低温环境下运行是否能显著降低光学晶格钟中黑体辐射引起的频移？
• RQ2 在低温光学晶格中，对$N \sim 1,000$个$^{87}$Sr原子，量子极限稳定性能达到何种程度？
• RQ3 两台独立运行的低温光学晶格钟在$10^{-18}$量级上的长期一致性如何？
• RQ4 此类钟是否可通过高精度频率比较实现精确的相对论大地测量？

主要发现

• 在一个月内完成11次测量后，两台低温光学晶格钟的相对频率差异为$(-1.1 \pm 1.6) \times 10^{-18}$，显示出极佳的长期稳定性。
• 仅经过两小时运行，钟的相对不确定度即达到$2 \times 10^{-18}$，表明在$N \sim 1,000$个原子下实现了量子极限稳定性。
• 低温运行有效抑制了黑体辐射频移，该效应是光学钟中主要的系统性不确定度来源。
• 该结果标志着向以$1 \times 10^{-18}$不确定度重新定义国际单位制秒迈出了关键一步。
• 高精度钟比较为相对论大地测量等应用提供了可能，例如通过引力红移测量高度差。