[论文解读] Optical clock intercomparison with $6 imes 10^{-19}$ precision in one hour

E. Oelker, Ross B. Hutson+15 more|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2019

Advanced Frequency and Time Standards参考文献 47被引用 97

一句话总结

论文展示了使用两台 Sr 光学晶格时钟进行光钟互比，结合低温硅基超稳定激光稳定性，达到单时钟不稳定性近 4.8×10⁻¹⁷/√τ，以及经过一小时后的分数精度为 5.8×10⁻¹⁹。

ABSTRACT

Improvements in atom-light coherence are foundational to progress in quantum information science, quantum optics, and precision metrology. Optical atomic clocks require local oscillators with exceptional optical coherence due to the challenge of performing spectroscopy on their ultra-narrow linewidth clock transitions. Advances in laser stabilization have thus enabled rapid progress in clock precision. A new class of ultrastable lasers based on cryogenic silicon reference cavities has recently demonstrated the longest optical coherence times to date. In this work we utilize such a local oscillator, along with a state-of-the-art frequency comb for coherence transfer, with two Sr optical lattice clocks to achieve an unprecedented level of clock stability. Through an anti-synchronous comparison, the fractional instability of both clocks is assessed to be $4.8 imes 10^{-17}/\sqrtτ$ for an averaging time $τ$ in seconds. Synchronous interrogation reveals a quantum projection noise dominated instability of $3.5(2) imes10^{-17}/\sqrtτ$, resulting in a precision of $5.8(3) imes 10^{-19}$ after a single hour of averaging. The ability to measure sub-$10^{-18}$ level frequency shifts in such short timescales will impact a wide range of applications for clocks in quantum sensing and fundamental physics. For example, this precision allows one to resolve the gravitational red shift from a 1 cm elevation change in only 20 minutes.

研究动机与目标

• 展示使用冷却硅腔激光器的超稳定互比来比较两台Sr光学晶格时钟。
• 量化Dick效应和量子投影噪声（QPN）对时钟不稳定性的贡献。
• 展示同步和反同步探测以抑制共模噪声。
• 通过光学频率梳将激光稳定性从1542 nm传递到698 nm，尽量减少降解。

提出的方法

• 使用在124 K的21 cm冷却硅腔作为本振，具备亚热噪声性能。
• 通过超低噪声光学频率梳和稳定的698 nm激光将稳定性传递到698 nm。
• 以550 ms光谱时间和570 ms死时间对两台Sr时钟（1D和3D）进行探测；测量时钟校正和误差信号。
• 通过激光噪声模型S_y(f)和原子灵敏度函数G(f)来计算Dick效应以预测不稳定性。
• 执行反同步和同步互比以分离Dick效应与QPN的贡献。
• 使用反相关的两跃迁Zeeman抵消方案来抑制磁场噪声。

实验结果

研究问题

• RQ1 在使用冷却硅腔稳定化激光器对两台Sr光学晶格时钟进行互比时，可达到的分数量不稳定性是多少？
• RQ2 Dick效应和量子投影噪声在不同探测方案（反同步 vs 同步）下如何限制时钟不稳定性？
• RQ3 在共享激光光路的实际长时间互比中，同步探测是否可以接近QPN极限？
• RQ4 一小时互比可达到的精度是多少，以及这对大地测量和基础物理学应用有何意义？

主要发现

• 反同步时钟互比得到5.5(3)×10⁻¹⁷/√τ，與QPN与Dick效应预测的5.7×10⁻¹⁷/√τ一致。
• 同步探测实现3.5(2)×10⁻¹⁷/√τ，接近QPN极限2.8×10⁻¹⁷/√τ。
• 独立运行下推断的单时钟不稳定性为4.8×10⁻¹⁷/√τ，比之前的结果提高了三倍。
• 对于一小时的平均，精度达到5.8(3)×10⁻¹⁹。
• 基于激光噪声谱模型的Dick效应预测与不同配置下测得的不稳定性高度吻合。
• 该系统在短时间内即可分辨低于10⁻¹⁸数量级的频移，并展示了在精密计量和相对论性大地测量中的实际潜力。