[论文解读] Realizing spin squeezing with Rydberg interactions in a programmable optical clock

William J. Eckner, Nelson Darkwah Oppong+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2023

Advanced Frequency and Time Standards被引用 9

一句话总结

论文通过在可编程中性原子时钟中利用Rydberg处理相互作用实现自旋挤压，达到低于SQL的差分稳定性和量测增益。

ABSTRACT

Neutral-atom arrays trapped in optical potentials are a powerful platform for studying quantum physics, combining precise single-particle control and detection with a range of tunable entangling interactions. For example, these capabilities have been leveraged for state-of-the-art frequency metrology as well as microscopic studies of entangled many-particle states. In this work, we combine these applications to realize spin squeezing - a widely studied operation for producing metrologically useful entanglement - in an optical atomic clock based on a programmable array of interacting optical qubits. In this first demonstration of Rydberg-mediated squeezing with a neutral-atom optical clock, we generate states that have almost 4 dB of metrological gain. Additionally, we perform a synchronous frequency comparison between independent squeezed states and observe a fractional frequency stability of $1.087(1) imes 10^{-15}$ at one-second averaging time, which is 1.94(1) dB below the standard quantum limit, and reaches a fractional precision at the $10^{-17}$ level during a half-hour measurement. We further leverage the programmable control afforded by optical tweezer arrays to apply local phase shifts in order to explore spin squeezing in measurements that operate beyond the relative coherence time with the optical local oscillator. The realization of this spin-squeezing protocol in a programmable atom-array clock opens the door to a wide range of quantum-information inspired techniques for optimal phase estimation and Heisenberg-limited optical atomic clocks.

研究动机与目标

• 在可编程中性原子阵列上，使用Rydberg-dressed相互作用对光学时钟跃迁实现自旋挤压。
• 用Wineland挤压参数量化量测增益，并评估低于SQL的差分时钟稳定性。
• 探索相位估计改进和在局部单量子比特控制下的相干时间之外的测量。
• 表征亚阵列中Rydberg介导相互作用的范围与性质，并将其与挤压性能联系起来。

提出的方法

• 将有效哈密顿量建模为 H = Hc + HöRyd，其中 Hc = ħΩc Scx，HöRyd = (1/4) ∑_{i<j} Vij σz^(i) σz^(j) + (1/2) ∑_i δi σz^(i)。
• 使用弱着色实现软核相互作用 Vij = V0 / [1 + ( rij / Rb )^6]，其中 V0 = ħ β^3 Ωr，Rb = |C6/(2Δ)|^(1/6)。
• 实现自旋回波挤压协议以隔离相互作用项并应用 tint 进行受控纠缠产生。
• 利用可编程光学镊子阵列和二维晶格来制备与读出子阵列，使A与B之间的差分测量成为可能。
• 通过从 Var[dz]min 和对比度 C 计算 Wineland 参数 ξW^2 来测量挤压，其中 dz = Sz^(A)/NA − Sz^(B)/NB。
• 分析二粒子相关量 g(2)r 以探测相关性的空间结构，并与弱着色理论进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在中性原子时钟中使用Rydberg-dressed相互作用可以生成何种水平的自旋挤压？
• RQ2 在现实实验条件下，子阵列大小和相互作用范围如何影响 Wineland 挤压参数的标度？
• RQ3 独立的被挤压集合之间的差分时钟测量是否可以超过标准量子极限，提升幅度如何？
• RQ4 有限范围的相互作用与非弱着色修正对挤压动力学和量测增益有何影响？
• RQ5 相位估计策略超越相对相干时间是否在该平台受益于挤压？

主要发现

• 实现了自旋挤压，ξW^2 低至 −3.8(6) dB（N=16）和 −3.4(3) dB（N=70）。
• 在70原子阵列上，两个独立挤压集合之间实现同步的差分时钟稳定性，1.087(1)×10^−15/√τ，相较SQL低1.94(1) dB。
• 观察到在N=70时，外推至27.6分钟的差分时钟稳定性低于3×10^−17。
• 发现最优挤压随N增加而饱和，原因是有限范围相互作用与非理想动力学，与简单的弱着色预测不完全一致。
• 测得二粒子相关量 g(2)r 显示相关性延伸至与相互作用范围 Rb 相当的长度，符合理论预期。
• 演示了相位移位和椭圆拟合方法，以在随机相位区间实现超越原子-激光器相干的量度。