NATURE|光学原子钟跃迁中的量子纠缠
编译者：marcus2017发布时间：2021-2-7
在过去的几十年中，原子、光学和量子物理的进步使OLCs的性能达到了接近1018的惊人精度。最近，一些olc中的技术噪声已经降低到接近或低于固有量子噪声的水平。用N个不相关原子在SQL上平均工作一个时间τ的时钟可以达到量子噪声极限的分数稳定性：
σ(τ_R,τ)=1/(ω_0 τ_R ) √(T_c/τ) √((ξ_W^2)/N)
式中，对于理想条件下具有完美量子相干态的制备和探测，τ_R是时钟本振激光器对原子的询问时间（拉姆齐时间），Tc是时钟周期时间，ω_0是时钟跃迁的角频率，Wineland参数为ξ_W^2=1。如果时钟在小于1的占空比下工作，使得本振子在部分周期内不被原子演化所锁定，则由本振子的混叠高频噪声产生的Dick噪声σ_Dick^2应加到方程中。Dick噪声可以通过使用两个信号群来消除空置时间，也可以通过同时询问两个信号群来抑制。
2020年12月16日，美国麻省理工学院Vladan Vuleti?组在《nature》杂志上，发表了题目为“Entanglement on an optical atomic-clock transition”的文章。最先进的原子钟是基于对两个原子能级之间能量差的精确检测，这是根据在给定时间间隔内累积的量子相位来测量的。光晶格钟（OLCs）的稳定性既受到本振激光器（Dick噪声）对原子系统的中断询问的限制，也受到与离散测量结果相关的量子噪声产生的标准量子极限（SQL）的限制。尽管最近提出并实现了消除Dick噪声的方案，通过在原子间设计量子关联（纠缠）的方法，其性能已经超越了SQL，但仅在稳定性有限的微波钟的原理验证实验中得到证明。光时钟跃迁中纠缠的产生和OLC在SQL之外的操作是量子计量学中的重要目标，但尚未在实验上得到证实。本文报道了在OLC跃迁上多原子纠缠态的产生，并用它证明了在减去本振噪声后，Ramsey序列的Allan方差低于SQL。通过使用由几百个镱-171原子组成的系综，他们在SQL上获得了〖4.4〗_(-0.4)^(+0.6)分贝的计量增益，相应地平均时间减少了2.8±0.3倍。他们的结果目前受到本振子的相位噪声和Dick噪声的限制，但是通过使用纠缠，他们证明了在最先进的OLCs中可能的性能改进。这将使计时精度和准确度进一步提高，有许多科学和技术应用，包括对物理学基本定律、大地测量学和引力波探测的精度测试。
原文题目：Entanglement on an optical atomic-clock transition