Historisch gezien is JILA (een gezamenlijk instituut opgericht door het National Institute of Standards and Technology [NIST] en de University of Colorado Boulder) een wereldleider op het gebied van nauwkeurige tijdwaarneming met behulp van optische atoomklokken. Deze klokken maken gebruik van de intrinsieke eigenschappen van atomen om de tijd met ongeëvenaarde precisie en nauwkeurigheid te meten, wat een aanzienlijke sprong voorwaarts betekent in onze zoektocht om de meest ongrijpbare dimensie te kwantificeren:tijd.

De nauwkeurigheid van deze klokken heeft echter fundamentele grenzen, waaronder de "ruisvloer", die wordt beïnvloed door de "kwantumprojectieruis" (QPN). "Dit komt voort uit de spin-statistieken van de individuele qubits, de werkelijk kwantumaard van de atomen die worden onderzocht", legt Maya Miklos, afgestudeerde JILA-student, uit.

State-of-the-art klokvergelijkingen, zoals die geregisseerd door JILA en NIST Fellow Jun Ye, komen steeds dichter bij deze fundamentele geluidsgrens. Deze limiet kan echter worden omzeild door kwantumverstrengeling in de atomaire monsters te genereren, waardoor hun stabiliteit wordt vergroot.

Nu heeft het team van Ye, in samenwerking met JILA Fellow James K. Thompson, een specifiek proces gebruikt dat bekend staat als spin-squeezing om kwantumverstrengeling te genereren, wat resulteert in een verbetering van de klokprestaties die werken op de 10 ^-17 stabiliteitsniveau. Hun nieuwe experimentele opzet, gepubliceerd in Nature Physics , stelde de onderzoekers ook in staat om twee onafhankelijke, door spin-squeezed samengestelde ensembles rechtstreeks te vergelijken om dit niveau van precisie in tijdmeting te begrijpen, een niveau dat nog nooit eerder werd bereikt met een spin-squeezed optische roosterklok.

De ontwikkeling van deze verbeterde optische atoomklokken heeft verstrekkende gevolgen. Naast het domein van tijdwaarneming bieden ze potentiële voordelen voor gebruik in verschillende wetenschappelijke verkenningen, waaronder het testen van fundamentele natuurkundige principes, het verbeteren van navigatietechnologieën en mogelijk bijdragen aan de detectie van zwaartekrachtsgolven.

"Het bevorderen van de prestaties van optische klokken tot aan en voorbij de fundamentele grenzen die door de natuur worden opgelegd, is al een interessant wetenschappelijk streven", legt JILA-afgestudeerde student John Robinson, de eerste auteur van het artikel, uit. "Als je bedenkt welke natuurkunde je kunt ontdekken met de verbeterde gevoeligheid, schetst dat een heel spannend beeld voor de toekomst."

Een luidruchtig geheel van atomen

Optische atoomklokken functioneren niet via tandwielen en slingers, maar via de georkestreerde ritmes tussen atomen en excitatielasers.

QPN vormt een fundamenteel obstakel voor de nauwkeurigheid van deze klokken. Dit fenomeen komt voort uit de inherente onzekerheid die aanwezig is in kwantumsystemen. In de context van optische atoomklokken manifesteert QPN zich als een subtiele maar diepgaande verstoring, vergelijkbaar met achtergrondgeluiden die de helderheid van tijdmeting kunnen vertroebelen.

"Omdat elke keer dat je een kwantumtoestand meet, deze op een afzonderlijk energieniveau wordt geprojecteerd, lijkt de ruis die met deze metingen gepaard gaat, op het opgooien van een stapel munten en het tellen of ze als kop of munt verschijnen", zegt Miklos.

‘Dus je krijgt deze wet van schaalvergroting bij grote getallen, waarbij de precisie van je meting toeneemt met de vierkantswortel van N, je atoomnummer. Hoe meer atomen je toevoegt, hoe beter de stabiliteit van je klok. zijn daar grenzen aan, omdat je voorbij bepaalde dichtheden dichtheidsafhankelijke interactieverschuivingen kunt hebben, die je klokstabiliteit aantasten."

Er zijn ook praktische grenzen aan het haalbare aantal atomen in een klok. Verstrengeling kan echter worden gebruikt als een kwantumbron om deze projectieruis te omzeilen. Miklos voegde hieraan toe:"Die vierkantswortel van N-schaling geldt als die deeltjes niet gecorreleerd zijn. Als je verstrengeling in je monster kunt genereren, kun je een optimale schaal bereiken die in plaats daarvan toeneemt met N."

Om de uitdaging van QPN aan te pakken, gebruikten de onderzoekers een techniek die bekend staat als spin-squeezing. In dit proces worden de kwantumtoestanden van atomen subtiel aangepast. Hoewel de onzekerheden van een kwantummeting altijd aan het onzekerheidsprincipe van Heisenberg voldoen, worden deze spins door precieze interventies 'geperst', waardoor de onzekerheid in de ene richting wordt verminderd en in de andere richting wordt vergroot.

Het realiseren van spin-squeezing in optische klokken is een relatief nieuwe prestatie, maar vergelijkbare verstrengelde bronnen zoals geperst licht zijn op andere gebieden gebruikt. "LIGO [The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory] maakte al gebruik van het samenpersen van vacuümtoestanden om hun metingen van interferometerlengtes voor zwaartekrachtgolfdetectie te verbeteren", legt JILA-afgestudeerde student Yee Ming Tso uit.

Een kwantum-'lift' maken

Om het spin-squeezing te bereiken, creëerde het team een ​​nieuwe laboratoriumopstelling bestaande uit een verticaal, 1D bewegend rooster dat een optische holte (een resonator bestaande uit twee spiegels) in horizontale richting kruist. De onderzoekers gebruikten de laserstralen van het rooster om de atomaire ensembles als een lift op en neer te bewegen door het hele rooster, waarbij enkele groepen atomen, of sub-ensembles, de holte binnengingen.

Dit project is geïnspireerd op een recente samenwerking tussen de Ye-onderzoeksgroep en JILA Fellow Adam Kaufman, die ook spin-squeezing in andere laboratoriumopstellingen had onderzocht.

"Tot nu toe was spin-squeezing in optische klokken alleen geïmplementeerd in proof-of-principle-experimenten, waarbij de ruis van de kloklaser het signaal verduisterde", zei Robinson.

"We wilden de positieve impact van spin-squeezing direct waarnemen, en daarom hebben we het optische rooster zo in deze lift veranderd dat we onafhankelijk meerdere subensembles konden draaien en vergelijken en op deze manier de negatieve impact van de spin-squeezing konden wegnemen. kloklaser."

Dankzij deze opstelling konden de onderzoekers ook aantonen dat de kwantumverstrengeling overleefde tijdens het transport van deze atomaire subensembles.

Met behulp van de optische holte manipuleerden de onderzoekers de atomen om spin-squeezed, verstrengelde toestanden te vormen. Dit werd bereikt door de collectieve eigenschappen van de atomen te meten op een zogenaamde "quantum non-demolition" (QND) manier.

QND meet de eigenschap van een kwantumsysteem, zodat de meting die eigenschap niet verstoort. Twee herhaalde QND-metingen vertonen dezelfde kwantumruis, en door het verschil te nemen, kan men genieten van de annulering van de kwantumruis.

In een atoom-holte-gekoppeld systeem zorgde de interactie tussen het licht dat de optische holte aftast en de atomen die zich in de holte bevinden ervoor dat de onderzoekers de atomen in een spin-samengedrukte toestand konden projecteren met verminderde impact van QPN-onzekerheid. De onderzoekers gebruikten vervolgens het liftachtige rooster om een ​​onafhankelijke groep atomen in de holte te schudden, waardoor een tweede, door spins geperst ensemble werd gevormd binnen hetzelfde experimentele apparaat.

Klok met klok vergelijken

Een belangrijke innovatie in deze studie was het rechtstreeks vergelijken van de twee atomaire subensembles. Dankzij het verticale rooster konden de onderzoekers wisselen welke atomaire subensembles zich in de holte bevonden, waarbij ze hun prestaties direct vergeleken door afwisselend de tijd te meten zoals aangegeven door elk spin-squeezed subensemble.

"In eerste instantie voerden we een klassieke klokvergelijking uit van twee atomaire subensembles zonder spin-squeezing", legde Tso uit. "Vervolgens hebben we beide subensembles spin-squeezed en de prestaties van de twee spin-squeezed-klokken vergeleken. Uiteindelijk kwamen we tot de conclusie dat het paar spin-squeezed-klokken beter presteerde dan het paar klassieke klokken in termen van stabiliteit door een verbetering van ongeveer 1,9 dB [~25% verbetering]. Dit is behoorlijk behoorlijk als het eerste resultaat van onze experimentele opstelling."

Deze stabiliteitsverbetering bleef bestaan, zelfs toen de klokprestaties gemiddeld daalden tot het niveau van 10 ^-17 fractionele frequentiestabiliteit, een nieuwe maatstaf voor spin-squeezed optische roosterklokprestaties. "In één generatie van dit experiment hebben we ongeveer halverwege de kloof gedicht tussen de stabiliteit van de beste spin-squeezed klokken en de beste klassieke klokken voor precisiemetingen", legt Miklos uit, die samen met de rest van het team hoopt deze waarde nog verder verbeteren.

Een verkenning die verder gaat dan tijdwaarneming

Met zijn vergelijking met twee ensembles markeert deze experimentele opstelling een belangrijke stap in de richting van het benutten van de kwantummechanica voor praktische en theoretische vooruitgang, ook op uiteenlopende gebieden als navigatie naar fundamentele natuurkunde, het mogelijk maken van tests van zwaartekrachttheorieën en het bijdragen aan de zoektocht naar nieuwe natuurkunde.

Miklos, Tso en de rest van het team hebben goede hoop dat hun nieuwe opstelling hen in staat zal stellen dieper in de grondbeginselen van de zwaartekracht te duiken.

"De precieze metingen van de zwaartekrachtroodverschuiving, die onlangs in ons laboratorium zijn uitgevoerd, is iets dat we met dit experimentele ontwerp verder willen onderzoeken," voegde Miklos eraan toe. "Hopelijk kan het ons meer vertellen over het universum waarin we leven."

Meer informatie: John M. Robinson et al., Directe vergelijking van twee spin-squeezed optische klokensembles op de 10 ⁻¹⁷ niveau, Natuurfysica (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02310-1

Journaalinformatie: Natuurfysica

Geleverd door JILA