[论文解读] High precision differential clock comparisons with a multiplexed optical lattice clock

Xin Zheng, Jonathan Dolde+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2021

Advanced Frequency and Time Standards被引用 5

一句话总结

本文提出一种多路复用的一维光晶格钟，利用共享的钟激光，实现六个空间分离的锶原子集合体之间的同步、高精度差分比较。通过实现26秒的原子-原子相干时间（比原子-激光相干时间长270倍），该系统展示了$9.7(4)\times 10^{-18}/\sqrt{\tau}$的差分稳定性与$8.9(3)\times 10^{-20}$的相对不确定度（3.3小时后），超越了本地振荡器噪声的限制，为超精密钟网络铺平道路。

ABSTRACT

Rapid progress in the precision and accuracy of optical atomic clocks over the last decade has advanced the frontiers of timekeeping, metrology, and quantum science. However, the stabilities of most optical clocks remain limited by the local oscillator rather than the atoms themselves, leaving room for further progress. Here we implement a "multiplexed" one-dimensional optical lattice clock, in which spatially-resolved, movable ensembles of ultra-cold strontium atoms are trapped in the same optical lattice, interrogated simultaneously by a shared clock laser, and read-out in parallel. By performing synchronized Ramsey interrogations of ensemble pairs we observe atom-atom coherence times up to 26 seconds, a 270-fold improvement over the atom-laser coherence time, demonstrate a relative stability of $9.7(4) imes10^{-18}/\sqrtτ$ (where $τ$ is the averaging time in seconds), and reach a fractional uncertainty of $8.9(3) imes 10^{-20}$ after 3.3 hours of averaging. These results demonstrate that applications requiring ultra-high-precision comparisons between optical atomic clocks need not be limited by the stability of the local oscillator. With multiple ensemble pairs, we realize a miniaturized clock network consisting of 6 atom ensembles, resulting in 15 unique pairwise clock comparisons with relative stabilities below $3 imes10^{-17}/\sqrtτ$. Finally, we demonstrate the capability to simultaneously load spatially-resolved, heterogeneous ensemble pairs of all four stable isotopes of strontium in a lattice. The unique capabilities offered by this platform pave the way for future studies of precision isotope shift measurements, spatially resolved characterization of limiting clock systematics, development of clock-based gravitational wave and dark matter detectors, and novel tests of relativity including measurements of the gravitational redshift at sub-centimeter scales.

研究动机与目标

• 通过在多个原子集合体之间实现同步、相关联的差分测量，克服光学钟比较中本地振荡器噪声的限制。
• 在多路复用的光晶格平台上实现长原子-原子相干时间，以超越量子投影噪声极限。
• 展示一种微型化、多节点的钟网络，具备共同模态噪声抑制能力，可实现高精度差分比较。
• 为未来基本物理检验提供支持，包括亚厘米尺度的引力红移测量与暗物质探测。
• 表征并抑制多集合体光晶格钟中的系统性频移，如差分密度频移。

提出的方法

• 使用可移动的一维光晶格，在单一装置中确定性地装载最多六个空间分离的超冷锶原子集合体。
• 单一共享钟激光束同时探测所有集合体，实现多个配对之间的同步拉比光谱测量。
• 通过空间对称性与共路径几何结构，抑制共模环境扰动（如黑体辐射、磁场及光晶格束波动）。
• 通过同步拉比条纹测量原子-原子相干时间，观测到26秒的相干时间，比原子-激光相干时间长270倍。
• 通过可变原子数差的锁相型测量与校准的成像梯度，量化差分密度频移。
• 应用Savitzky-Golay滤波器平滑相机成像效率曲线，以实现空间非均匀荧光探测的后期校准。

实验结果

研究问题

• RQ1 多路复用的光晶格钟能否实现显著长于原子-激光相干时间的原子-原子相干时间？
• RQ2 在多集合体光晶格平台上，共模环境噪声能在多大程度上被抑制？
• RQ3 在共享激光、多集合体钟网络中，可实现的最终差分稳定性是多少？
• RQ4 在多集合体配置中，差分密度频移如何随光晶格阱深变化？
• RQ5 能否通过同时比较全部六个集合体，实现一个具备15个独特两两比较的实用、高精度钟网络？

主要发现

• 观测到最高达26秒的原子-原子相干时间，相比原子-激光相干时间提升了270倍。
• 两个相距0.6厘米的集合体之间的差分稳定性达到$9.7(4)\times 10^{-18}/\sqrt{\tau}$，接近量子投影噪声极限。
• 经过3.3小时平均后，相对不确定度测量值为$8.9(3)\times 10^{-20}$，表明实现了高精度运行。
• 该平台支持15个独特的两两钟比较，稳定性低于$3\times 10^{-17}/\sqrt{\tau}$，支持微型化钟网络的实现。
• 差分密度频移被测量并发现其与$U^{5/4}$成比例，证实了热气体的预期阱频移标度关系。
• 系统成功在一个光晶格中装载了空间分离的、异质的全部四种稳定锶同位素对，实现了同位素频移测量。