[论文解读] Direct comparison of two spin squeezed optical clocks below the quantum projection noise limit

John Robinson, Maya Miklos+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2022

Advanced Frequency and Time Standards被引用 8

一句话总结

该论文通过腔量子电动力学（cQED）平台，首次实现了对两个自旋压缩光钟的直接比较，实现了在10⁻¹⁷测量精度下，低于量子投影噪声极限2.0(3) dB，且高于标准量子极限0.6(3) dB。通过同时实现两个独立原子系综的压缩与差分测量，该工作无需技术噪声扣除，即提供了纠缠增强钟稳定性的明确证据。

ABSTRACT

Building scalable quantum systems that demonstrate genuine performance enhancement based on entanglement is a major scientific goal for fields including computing, networking, simulations, and metrology. The tremendous challenge arises from the fragility of entanglement in increasingly larger sized quantum systems. Optical atomic clocks utilizing a large number of atoms have pushed the frontier of measurement science, building on precise engineering of quantum states and control of atomic interactions. However, today's state-of-the-art optical atomic clocks are limited by the quantum projection noise (QPN) defined by many uncorrelated atoms. Pioneering work on producing spin squeezed states of atoms has shown a path towards integrating entanglement into the best performing clocks. However, to directly demonstrate advantage of quantum entanglement in a working clock we must prevent backaction effects that degrade quantum coherence and introduce uncontrolled perturbations, as well as minimize the influence of technical noise arising from the interrogating clock laser. Here we present a new optical clock platform integrated with collective strong-coupling cavity QED for quantum non-demolition (QND) measurement. Optimizing the competition between spin measurement precision and loss of coherence, we measure a Wineland parameter of -1.8(7) dB for 1.9x10$^4$ atoms, thus verifying the presence of entanglement. Furthermore, a moving lattice allows the cavity to individually address two independent sub-ensembles, enabling us to spin squeeze two clock ensembles successively and compare their performance. This differential comparison between the two squeezed clocks directly verifies enhanced clock stability of 2.0(3) dB below QPN, and 0.6(3) dB above the standard quantum limit (SQL), at the measurement precision level of 10$^{-17}$, without subtracting any technical noise contributions.

研究动机与目标

• 通过验证低于量子投影噪声极限的纠缠增强稳定性，直接证明光学钟中的量子优势。
• 克服反作用力与技术噪声对大原子体系退相干的干扰，从而揭示真实量子优势。
• 采用双系综cQED架构，实现两个独立原子钟的同时自旋压缩与差分比较。
• 在不扣除技术噪声贡献的前提下，实现高精度（10⁻¹⁷量级）下低于量子投影噪声极限的稳定性。
• 通过一种无噪声敏感的直接比较方法，验证自旋压缩态在实际钟平台中的性能。

提出的方法

• 利用可移动的垂直光晶格，在单个原子云中独立捕获并操控两个⁸⁷Sr原子的亚系综。
• 采用强耦合的腔量子电动力学（cQED）实现对原子自旋态的量子非破坏性（QND）测量。
• 通过一系列激光脉冲在两个系综中生成自旋压缩态，随后利用拉比曼干涉测量实现相位测量。
• 通过两个系综之间的差分测量消除共同模态激光噪声，从而提升稳定性，无需噪声扣除。
• 采用最优估计器（βA、βB、βD）以最小化差分相位噪声，并提取最小可能的不确定性。
• 将测得的腔频率漂移转换为原子数差异，再通过拉比条纹校准转换为相位差。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用两个独立原子系综中的自旋压缩态，实现对钟性能的直接比较，并在低于量子投影噪声极限的稳定性下实现增强？
• RQ2 技术噪声与反作用力在多大程度上可被抑制，从而在光学钟中揭示真实的量子优势？
• RQ3 两个压缩钟之间的差分比较如何实现10⁻¹⁷量级的无噪声敏感稳定性测量？
• RQ4 在不扣除技术噪声的前提下，自旋压缩实际带来了多大的钟稳定性提升？
• RQ5 在实际运行条件下，Wineland参数能否用于验证工作钟平台中的纠缠？

主要发现

• 实验测得1.9 × 10⁴个原子的Wineland参数为-1.8(7) dB，证实系统中存在纠缠。
• 差分比较显示，在10⁻¹⁷测量精度下，稳定性优于量子投影噪声极限2.0(3) dB。
• 系统运行于标准量子极限之上0.6(3) dB，明确展示了量子优势。
• 最优估计器βD = 0.907(5) 表明两个系综间不对称噪声极小，对量子投影噪声的影响仅为0.05 dB。
• 测得的相位不确定性受标准量子极限限制，由于有效共同模态噪声抵消，未出现技术噪声引起的显著退化。
• 可移动光晶格的使用实现了对两个原子系综的独立控制与测量，同时保持了高相干性与低串扰。