激光网3月20日消息，JILA在光学原子钟方面的突破利用量子纠缠超越了基本的精度极限，为计时设定了新标准，并为科学发现开辟了途径。
从历史上看，JILA一直是使用光学原子钟进行精确计时的世界领导者。这些时钟利用原子的内在特性，以无与伦比的精度和准确性测量时间，代表了我们追求量化最难以捉摸的维度：时间的重大飞跃。
然而，这些时钟的精度有基本的限制，包括受“量子投影噪声”影响的“本底噪声”。“这来自单个量子比特的自旋统计，即被探测原子的真正量子性质，”JILA研究生Maya Miklos解释道。最先进的时钟比较，如由JILA和NIST研究员以及科罗拉多大学博尔德物理学教授Jun Ye指导的比较，正在越来越接近这个基本的本底噪声极限。然而，可以通过在原子样品中产生量子纠缠来规避这一限制，从而提高其稳定性。
现在，Ye的团队与JILA和NIST研究员James K. Thompson合作，使用一种称为自旋挤压的特定过程来产生量子纠缠，从而增强了在10-17稳定水平下运行的时钟性能。他们发表在《自然物理学》上的新实验装置还允许研究人员直接比较两个独立的自旋挤压系综，以了解时间测量的这种精度水平，这是自旋挤压光学晶格钟从未达到的水平。
这些增强型光学原子钟的发展具有深远的意义。除了计时领域之外，它们还具有用于各种科学探索的潜在优势，包括测试基本物理原理、改进导航技术，以及可能有助于探测引力波。“将光学时钟性能提高到并超越自然界施加的基本限制已经是一项有趣的科学追求，”该论文的第一作者JILA研究生John Robinson解释说。当人们考虑到通过提高灵敏度可以发现哪些物理学时，它为未来描绘了一幅非常令人兴奋的画面。
光学原子钟不是通过齿轮和钟摆起作用，而是通过原子和激发激光之间协调的节奏起作用。
QPN对这些时钟的精度构成了根本障碍。这种现象源于量子系统中存在的固有不确定性。在光学原子钟的背景下，QPN表现为一种微妙但普遍的干扰，类似于背景噪声，可以掩盖时间测量的清晰度。
“因为每次你测量量子态时，它都会被投射到一个离散的能级中，与这些测量相关的噪音看起来就像抛掷一堆硬币，并计算它们是否显示为正面或反面，”Miklos说。“所以，你会得到这种大数尺度定律，其中测量的精度随着N的平方根的增加而增加。你添加的原子越多，你的时钟的稳定性就越好。然而，这是有局限性的，因为超过一定的密度，你可能会有密度相关的相互作用位移，这会降低你的时钟稳定性。
时钟中可实现的原子数也有实际限制。然而，纠缠可以作为一种量子资源来规避这种投射噪声。Miklos补充说：“如果这些粒子不相关，那么N比例的平方根成立。如果可以在样本中产生纠缠，则可以达到最佳比例，该比例度随N而增加。
为了应对QPN带来的挑战，研究人员采用了一种称为自旋挤压的技术。在这个过程中，原子的量子态被微妙地调整。虽然量子测量的不确定性始终遵循海森堡不确定性原理，但这些自旋通过精确的干预被“挤压”，在一个方向上减少不确定性，同时在另一个方向上增加不确定性。
在光学时钟中实现自旋压缩是一项相对较新的成果，但类似的纠缠资源，如压缩光，已经在其他领域得到应用。“LIGO经采用了真空状态的压缩来改进他们对引力波探测的干涉仪长度的测量，”JILA研究生Yee Ming Tso解释说。
为了实现自旋挤压，该团队创建了一种新颖的实验室设置，包括一个垂直的一维移动晶格，该晶格沿水平方向与光学腔相交。研究人员使用晶格的激光束像电梯一样在整个晶格上上下移动原子系综，一些原子组或子系综进入空腔。
这个项目的灵感来自Ye研究小组和JILA研究员Adam Kaufman之间的最近合作，后者也曾在其他实验室设置中探索过自旋挤压。
“在此之前，光学时钟中的自旋压缩仅在原理验证实验中实现，其中来自时钟激光的噪声掩盖了信号，”罗宾逊说。“我们想直接观察自旋挤压的积极影响，因此我们将光学晶格变成了这个电梯，这样我们就可以独立地自旋挤压和比较多个子集成，从而消除时钟激光的负面影响。这种设置还使研究人员能够证明量子纠缠在这些原子子系综的运输过程中幸存下来。
利用光学腔，研究人员操纵原子形成自旋挤压的纠缠态。这是通过以所谓的“量子非破坏”方式测量原子的集体性质来实现的。QND 对量子系统的属性进行度量，以便测量不会干扰该属性。两次重复的QND测量表现出相同的量子噪声，通过取差值，可以享受量子噪声的抵消。
在原子腔耦合系统中，探测光学腔的光与位于腔中的原子之间的相互作用使研究人员能够将原子投射到自旋挤压状态，同时减少QPN不确定性的影响。然后，研究人员使用类似电梯的晶格将一组独立的原子洗牌到空腔中，在同一实验装置中形成第二个自旋挤压系综。
这项研究的一个关键创新是直接比较两个原子子系综。由于垂直晶格，研究人员可以切换腔中的原子子系综，通过交替测量每个自旋挤压子系综所指示的时间来直接比较它们的性能。
“起初，我们对两个没有自旋压缩的原子子系综进行了经典的时钟比较，”Tso解释说。“然后，我们对两个子集成进行了自旋压缩，并比较了两个自旋压缩时钟的性能。最后，我们得出结论，在稳定性方面，一对自旋挤压时钟的表现优于一对经典时钟，提高了约 1.9 dB [~25% 改进]。作为我们实验设置的第一个结果，这是相当不错的。
即使时钟的性能平均下降到10-17分数频率稳定性的水平，这种稳定性的增强仍然存在，这是自旋挤压光晶格时钟性能的新基准。“在这一代实验中，我们已经缩小了最好的自旋挤压时钟和最好的经典时钟之间的稳定性之间的差距，用于精确测量，”Miklos解释说，他和团队的其他成员希望进一步提高这个值。
通过其双系综比较，这种实验设置标志着利用量子力学实现实践和理论进步的重要一步，包括在基础物理学导航等各个领域，使引力理论的测试成为可能，并有助于寻找新的物理学。Miklos、Tso和团队的其他成员希望他们的新设置能够让他们更深入地研究重力的基本原理。
“最近在我们的实验室完成的引力红移的精确测量是我们希望使用这种实验设计进一步研究的东西，”Miklos补充道。“希望它能告诉我们更多关于我们生活的宇宙的信息。
