JILA-natuurkundigen hebben de signaalkracht van hun atomaire "pincetklok" verhoogd en de prestaties voor het eerst gedeeltelijk gemeten, demonstreert een hoge stabiliteit die dicht in de buurt komt van het beste van de nieuwste generatie atoomklokken.

De ongebruikelijke klok, die een laserpincet gebruikt om te vangen, atomen controleren en isoleren, biedt unieke mogelijkheden voor het verbeteren van klokprestaties met behulp van de kneepjes van de kwantumfysica en toekomstige toepassingen in de verwerking van kwantuminformatie, kwantumsimulatie, en meetwetenschap.

beschreven in a Natuur paper online gepubliceerd op 16 december het klokplatform is een rechthoekig raster van ongeveer 150 strontiumatomen, afzonderlijk opgesloten door een optisch pincet, die worden gecreëerd door een laserstraal die door een microscoop wordt gericht en in 320 punten wordt afgebogen. Deze verbeterde versie van de klok heeft tot 30 keer zoveel atomen als het voorlopige ontwerp dat vorig jaar werd onthuld, voornamelijk door het gebruik van verschillende lasers, inclusief een groene om de atomen op te vangen en twee rode om ze te laten "tikken".

Toen de laser atomen begon te tikken in de experimenten die in het artikel worden beschreven, een selectie van deze atomen bleef meer dan 30 seconden tegelijk trillen op dezelfde frequentie, een record voor wat kwantumcoherentie wordt genoemd. Het grote aantal atomen en hun lange coherentietijden resulteerden in een uitstekende klokstabiliteit van 5,2 x 10-17 bij 1 seconde gemiddelde tijd. Dit betekent dat de duur van elke klok "tick" overeenkomt met de andere tot op ongeveer 1,9 triljoenste van een seconde.

Onderzoekers maten de stabiliteit door twee verschillende regio's binnen de pincetklok te vergelijken, opmerkend dat deze prestatie die van JILA's 3-D strontiumroosterklok benadert, waarvoor in eerste instantie de interne vergelijkingsmethode is ontwikkeld. De stabiliteit van het 3D-systeem werd later geverifieerd met een meer conventionele vergelijking tussen twee optische roosterklokken.

JILA wordt gezamenlijk beheerd door het National Institute of Standards and Technology (NIST) en de University of Colorado Boulder.

"Een van de belangrijke doorbraken in dit werk was dat we een methode bedachten om veel atomen voor te bereiden met behoud van de kwantumcoherentie, "NIST/JILA-natuurkundige Adam Kaufman zei. "Dit was de sleutel tot een 30-voudige toename van het aantal atomen ten opzichte van vorig jaar, die ook voldoende atoomnummers mogelijk maakte voor zelfvergelijkingen en de waarneming van de lange coherentietijd. Maar, voorbij klokken, deze combinatie van schaalbaarheid, samenhang, en single-particle control stelt dit systeem ook in voor de verwerking en simulatie van kwantuminformatie."

NIST- en JILA-onderzoekers bouwen al vele jaren atoomklokken. De nieuwste klokken werken op optische frequenties, die veel hoger zijn dan de huidige tijdstandaarden op basis van microgolffrequenties. Het onderzoek helpt bij de voorbereiding op de toekomstige internationale herdefiniëring van de tweede, die sinds 1967 is gebaseerd op het cesiumatoom. Optische klokken hebben ook toepassingen die verder gaan dan tijdwaarneming, zoals het verbeteren van de kwantuminformatiewetenschap.

De pincetklok combineert enkele van de meest wenselijke eigenschappen van momenteel werkende optische klokken. Bijvoorbeeld, zoals een gewoon metalen pincet, het laserpincet biedt nauwkeurige controle van, in dit geval, individuele atomen. De pincetklok levert ook de sterke signalen en stabiliteit die door vele atomen worden geleverd - honderden nu en gericht op meer dan duizend pincetten in de toekomst.

Om de klok te maken, onderzoekers laden een gekoelde wolk van atomen in hun laagste energietoestand in een rechthoekige, tweedimensionale array van 320 pincetten (16 bij 20) gevormd door een groene laser. Het pincet overlappen twee gekruiste laserstralen die een staande golf creëren die een optisch rooster wordt genoemd. Het optische rooster vermindert de stroombehoefte van de pincet tot 1/30ste van het oorspronkelijke niveau. Elke paar seconden vult een nieuwe wolk van atomen het pincet. Een filterproces laat pincetten achter met één atoom of leeg; bij elke uitvoering van het experiment, elk pincet heeft ongeveer 50% kans om een ​​enkel atoom te bevatten.

De onderzoekers zetten vervolgens de groene laser en het rooster uit en schakelen over op een rode pincetlaser, wat meer kracht vraagt, maar wel bevorderlijk is voor het klokgedrag. De atomen die door het pincet worden vastgehouden, worden geëxciteerd door een roze "kloklaser" die loodrecht op het pincetlicht wordt aangebracht. samen met een magnetisch veld. De kloklaser prikkelt de atomen, die beginnen te tikken tussen twee interne energieniveaus. Eindelijk, het groene pincet wordt weer aangezet en een camera registreert de toestand van de atomen; ze fluoresceren alleen op het lage energieniveau, dus het tikken wordt geregistreerd als knipperlicht en kan worden omgezet in een timingsignaal.

Naast tijdwaarneming, JILA-onderzoekers zijn enthousiast over het gebruik van het pincetplatform voor andere toepassingen zoals kwantumcomputing en simulatie en programmeerbare kwantumsensoren. Optisch pincet kan worden gebruikt om atomen te "verstrengelen", een kwantumfenomeen dat hun eigenschappen zelfs op afstand met elkaar verbindt. Speciale kwantumtoestanden zoals verstrengeling kunnen de meetgevoeligheid van klokken en sensoren verbeteren en kunnen ook worden gebruikt in kwantumlogische bewerkingen en simulaties van kwantumprocessen.

"Ik denk dat je voor dit nieuwe platform echt verder moet kijken dan klokken, "NIST/JILA Fellow en co-auteur Jun Ye zei. "Met de mogelijkheid om elk individueel atoom aan te spreken, men kan programmeerbaarheid in kwantumdetectie en informatieverwerking brengen, een functie die krachtig zal zijn voor het optimaliseren van het systeem voor specifieke taken."