A high-accuracy optical clock via three-level coherence in neutral bosonic $^{88}$Sr
发展了一种光学原子钟方案，该方案利用两个激光器在$^{88}$ Sr的$5s^2 \phantom{}^1S_0$基态和第一激发态$5s5p \phantom{}^3P_0$之间建立相干耦合。利用电磁诱导透明现象，通过宽$5s5p \phantom{}^1P_1$状态来介导耦合。时钟跃迁的有效线宽可以通过调节激光强度任意选择。通过将$^{88}$ Sr原子捕获在光晶格中，确保了与两个激光器的长相互作用时间;消除了多普勒效应和反冲效应。基于对系统误差的仔细分析，期望时钟精度优于$2\times 10^{-17}$。
2004-11-21 physics.atom-ph physics.gen-ph
Extended coherence time on the clock transition of optically trapped Rubidium
光阱系综对于频率测量和量子存储器是至关重要的，但通常由于不均匀的密度和光位移而遭受强烈的失相。我们证明了一个急剧增加的相干时间为21秒的磁场不敏感的时钟过渡的Rb-87应用最近发现的自旋自重相。这一结果证实了这种新机制的一般性质，从而表明它在原子钟和量子存储器中的适用性。对所有相关频移和噪声贡献的系统研究得出2.4E-11 x tau^（-1/2）的稳定性，其中tau是积分时间，单位为秒。基于一系列的技术改进，预计所提出的频率标准可以在一个潜在的更紧凑的设置中与微波喷泉钟的稳定性相媲美。
2011-03-11 cond-mat.quant-gas physics.atom-ph quant-ph
A tweezer clock with half-minute atomic coherence at optical frequencies and high relative stability
相同量子系统的大的、低熵的、高度相干的系综的制备是量子精密测量、模拟和信息学中许多研究的基础。在这里，我们实现了这些功能，利用镊子捕获的碱土原子的有利特性，同时引入一种新的混合方法来定制光学电位，平衡可扩展性，高保真状态准备，现场分辨读出和原子相干性的保存。通过这种方法，我们实现了捕获和光学时钟激发态寿命超过$ 40 $秒的合奏约$ 150 $原子。这导致了半分钟尺度的原子相干性的光学时钟过渡，相应的品质因数远远超过$10^{16}$。这些相干时间和原子数将量子投影噪声的影响降低到与领先的原子系统相当的水平，产生$5.2(3)\times10^{-17}~(τ/s)^{-1/2}$的相对分数频率稳定性，用于镊子阵列内的子系综之间的同步时钟比较。当进一步结合显微控制和读出在这个系统中可用，这些结果铺平了道路，在定制的原子阵列的光学时钟过渡的长期工程纠缠。
2020-06-23 cond-mat.quant-gas physics.atom-ph quant-ph
Molecular lattice clock with long vibrational coherence
原子晶格钟激发了许多基础物理学测试、广义相对论效应探测和多体系统相互作用研究的想法。另一方面，分子结构和动力学提供了丰富的能量尺度，这些尺度是精密测量和量子信息科学新协议的核心。在这里，我们展示了一个根本上不同类型的晶格时钟，是基于双原子分子的振动，并提出弱和深绑定的分子之间的相干拉比振荡持续10毫秒。这种控制是由一个状态不敏感的魔晶格陷阱，弱耦合到分子振动共振，并提高了几个数量级的分子和光之间的相干时间。所实现的品质因数$Q=8\times10^{11}$来自Sr $_2$中25 THz时钟跃迁的30 Hz窄谐振。我们的扩展相干操作技术适用于基于超冷极性分子的量子比特中的量子信息的长期存储，而振动钟可以精确探测原子间的力，在超短范围内测试牛顿引力，并独立于模型搜索电子与质子质量比的变化。
2019-04-09 physics.atom-ph quant-ph
Scattering of Cold Atom Coherences by Hot Atoms: Frequency Shifts from Background Gas Collisions
背景气体碰撞产生的频率偏移是造成原子钟不准确的重要原因。由于几乎所有与室温背景气体的碰撞都会将冷原子从时钟中弹射出来，因此散射波和未散射波之间的干涉在前向方向上主导了这些频率偏移。我们发现它们比室温钟小10倍，范德华相互作用产生冷原子背景气体位移。一般的考虑允许拉姆齐条纹振幅的损失来限制该频移。
2013-04-11 physics.atom-ph
Seconds-scale coherence in a tweezer-array optical clock
基于原子和离子的光学时钟具有极高的精度和准确度，可应用于相对论大地测量、相对论测试和寻找暗物质。实现这样的性能需要平衡竞争所需的功能，包括高粒子数，原子的碰撞隔离，对运动效应的不敏感性，以及高占空比操作。在这里，我们展示了一个新的平台，基于阵列的超冷锶原子限制在光镊，实现了这些功能的一种新的组合，通过提供一个可扩展的平台，孤立的原子，可以询问多次。有了这个镊子阵列时钟，我们实现了超过3秒的相干时间，并记录高达96%的占空比，以及与领先平台相称的稳定性。通过使用光学镊子阵列-一种经过验证的通过微观控制控制纠缠产生的平台-这项工作进一步承诺了一条新的道路，将纠缠增强的灵敏度与最精确的光学时钟转换相结合。
2019-07-24 cond-mat.quant-gas physics.atom-ph quant-ph
Improving the Q factor of an optical atomic clock using quantum non-demolition measurement
量子非破坏性测量（QND）是操纵量子系统的一个重要工具。它允许提取特定的信息，同时仍然保留系统的脆弱量子可观测量。在这里，我们将基于腔的QND测量应用于光晶格钟-一种具有无与伦比的频率精度的原子钟-以80%的保真度读出后保持原子的量子相干性。我们应用这种技术，通过一系列重复的QND测量稳定的相位的超稳定激光相干原子态。我们利用超稳激光器的相位相干性提高的优点，将Ramsey光谱时间从300 ms延长到2 s，实现了对独立的光晶格时钟的解调。使用这种技术，我们保持95%的对比度，并观察到时钟的\emph{Q}因子增加到$1.7\times10^{15}$的7倍。
2020-10-21 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Optical clock intercomparison with $6\times 10^{-19}$ precision in one hour
原子光相干性的改善是量子信息科学、量子光学和精密计量学进步的基础。光学原子钟要求本机振荡器具有特殊的光学相干性，这是由于在其超窄线宽时钟跃迁上执行光谱学的挑战。因此，激光稳定性的进步使时钟精度迅速提高。基于低温硅参考腔的一类新的超稳定激光器最近被证明是迄今为止最长的光学相干时间。在这项工作中，我们利用这样的本地振荡器，以及一个国家的最先进的频率梳相干转移，两个Sr光晶格时钟，以实现前所未有的时钟稳定性水平。通过反同步比较，对于以秒为单位的平均时间$τ$，两个时钟的分数不稳定性被评估为$4.8\times 10^{-17}/\sqrtτ$。同步询问揭示了$3.5(2)\times10^{-17}/\sqrtτ$的量子投影噪声主导的不稳定性，导致在单个小时的平均之后的$5.8(3)\times 10^{-19}$的精度。在如此短的时间尺度内测量亚$10^{-18}$水平频率偏移的能力将影响量子传感和基础物理中的时钟的广泛应用。例如，这种精度允许人们在20分钟内解决1厘米高度变化的引力红移。
2019-02-07 physics.atom-ph quant-ph
Engineering Quantum States of Matter for Atomic Clocks in Shallow Optical Lattices
我们研究了光学晶格光子受激散射对${}^{87}\mathrm{Sr}$光晶格时钟中原子相干时间的影响。发现这样的散射过程将可实现的相干时间限制为小于12 s（对应于$1 \times 10^{16}$的品质因数），显著短于预测的${}^{87}\mathrm{Sr}$的激发时钟状态的145（40）s寿命。我们建议，浅，状态独立的光晶格与增加的晶格常数可以引起足够小的晶格光子散射和运动的退相率，使相干时间的顺序上的时钟过渡的自然寿命。这个方案不仅应该与三维光晶格中费米简并气体的相对高的原子密度相兼容，而且我们预期物质的各种量子态的某些性质可以用来抑制由于隧穿引起的退相。
2019-06-19 cond-mat.quant-gas physics.atom-ph
Dynamic decoupling of laser phase noise in compound atomic clocks
光学原子钟所达到的频率稳定度最终取决于其本振的相干性。目前，即使是最好的超稳定激光器也只允许几秒钟的询问时间。在这里，我们提出了一个通用的测量协议，克服了这一限制。激光相位噪声的工程动态解耦允许任何具有高信噪比的光学原子钟在单次询问中重建远远超过其相干极限的激光相位。然后，复合时钟与任何类型的另一个光学时钟组合形成，允许后者实现比其自身显著更高的频率稳定性。我们展示了一个现实的原理验证实验中的相位重建保真度为99%的协议的实施。该协议能够对最佳超稳定激光系统进行长达几分钟的询问。同样，它可以提高时钟性能，在不太稳定的本地振荡器使用，如在transortable系统。
2019-11-29 physics.atom-ph
Atomic Combination Clocks
原子钟使用原子跃迁作为频率参考。原子跃迁对外部场的敏感性限制了时钟的稳定性，并引入了系统的频率偏移。在这里，我们建议实现一个原子钟，利用纠缠叠加态的多个原子物种，其中的参考频率是一个单独的过渡频率的总和。选择叠加，使得各个物种中相应跃迁的敏感性发生破坏性干扰，从而提高稳定性并减少系统漂移。我们提出并分析了两个这样的组合的例子。第一种方法利用$^{40}$ Ca $^+$- $^{174}$ Yb $^+$双离子晶体中的光学四极跃迁。第二个是一个$^{88}$ Sr $^+$离子和三个$^{202}$ Hg $^+$离子的光学四极跃迁的叠加。这些组合降低了对外部磁场和黑体辐射的敏感性。
2017-09-05 physics.atom-ph quant-ph
Quantum Algorithmic Readout in Multi-Ion Clocks
基于囚禁离子系综的光学时钟提供了记录频率不确定性的前景，具有良好的短期稳定性。大多数合适的原子种类缺乏用于快速检测的闭合跃迁，使得必须借助于量子逻辑操作通过将时钟离子的量子态转移到共同捕获的逻辑离子来间接读出时钟信号。对于时钟离子的集合，用于量子逻辑读出的现有方法需要在时间或逻辑离子的数量上的线性开销。在这里，我们报告的量子算法读出的开销规模与时钟离子的数量在这两个方面。我们表明，读出算法可以实现一个单一的应用程序的多物种的量子门，我们详细描述了铝和钙离子的晶体。
2016-01-14 physics.atom-ph quant-ph
High-accuracy multi-ion spectroscopy with mixed-species Coulomb crystals
本研究利用混合物种库仑晶体实现多¹¹⁵In⁺离子同时光谱测量，验证其与单离子钟结果一致性优于1×10⁻¹⁷，4离子时不稳定度显著降低，还推导死时间模型并指出加再泵浦激光可实现1/√N标度，为提升光钟信噪比提供可行方案。
2025-01-16 physics.atom-ph quant-ph
Optical lattice clocks with weakly bound molecules
光学分子钟对电子与质子质量比的时间变化具有无与伦比的灵敏度，并有望洞察标准模型之外可能的新物理。我们提出用玻色子$^{174}$ Yb $_2$分子实现一个分子钟，其中禁戒的$^1$ S $_0$ $\rightarrow$ $^3$ P $_0$时钟跃迁将被磁诱导.玻色子物质的使用避免了由于费米子物质中存在的超精细结构而导致的可能的复杂性。虽然直接的时钟线光缔合将是具有挑战性的，但弱结合的基态分子可以通过STIRAP产生并代替使用。最近的散射测量[L. Franchi等人，New J. Phys 19，103037（2017）]使我们能够确定目标$^1$ S $_0$ + $^3$ P $_0$振动能级的位置，并计算基态和激发分子态之间时钟跃迁的Franck-Condon因子。由此产生的磁感应拉比频率与原子的频率相似，暗示实验实现是可行的。成功的观察可以为赫兹级分子光谱学铺平道路。
2018-02-22 physics.atm-clus physics.atom-ph
Coherence distillation machines are impossible in quantum thermodynamics
相干性在量子热力学中的作用近年来得到了广泛的研究，现在已经很好地理解，不同能量本征态之间的相干性是一种独立于其他热力学资源（如功）的资源。一个基本的悬而未决的问题是量子力学和热力学定律是否允许相干蒸馏机的存在，即，一种机器，通过可能的消耗功，以非零速率从混合态获得纯相干态。这与另一个基本问题有关：从与参考时钟（近似）同步的噪声量子时钟的许多副本开始，可以以非零速率提取纯态的同步时钟吗？令人惊讶的是，我们发现这两个问题的答案是否定的通用（满秩）混合状态。然而，在同一时间，它是可能的，以消失的误差提取纯相干态的亚线性数量。
2021-12-08 cond-mat.stat-mech physics.atom-ph quant-ph
An Aubry-André localized optical lattice clock
University of California, Berkeley（加州大学伯克利分校）
本研究在双色光晶格中实现 Aubry-André 局域化，抑制了模拟自由下落的水平光晶格钟的原子隧穿，使浅晶格中 Ramsey 相干时间提升百倍，为空间及地面光晶格钟性能优化提供了实用方案。
2026-10-15 physics.atom-ph quant-ph
Quantum Test of the Local Position Invariance with Internal Clock Interferometry
当前测试本地位置不变性（LPI）的尝试将不同的时钟转换速率与经典交换信号进行比较。我们提出了一个实验方案，用于LPI的量子测试：一个内部的原子钟干涉仪包括两个干涉时钟在一个原子。我们将原子置于两个时钟态和一个基态的叠加态中，原子沿着两个量子时钟振荡相干演化成稳定的内部Ramsey干涉图样。具有共享基态的干涉图样显示可见度调制，这可以解释为单个时钟振荡的跳动和互补性的直接结果。当干涉仪经历不同的引力势时，LPI预测两个时钟滴答速率将成比例地改变，而量子互补性表明可见度调制应该相应地改变。这种变化对于可见度调制的第一周期被认为是不重要的，但是可以被叠加直到系统相干时间的极限。由于不涉及分裂或重组，系统相干时间可以与陷阱寿命或时钟状态寿命一样长。观察可见度调制所需的分辨率在最先进的光学钟灵敏度的范围内。这个实验方案在不同的场景下都是可行的，静止或有速度，并可能为研究时间的量子效应和广义相对论提供新的思路。
2023-01-26 gr-qc physics.atom-ph quant-ph
Atomic clock interferometry using optical tweezers
本文提出利用光镊实现时钟干涉测量，通过绝热分裂与修正 Ramsey 序列获得对引力时间膨胀的线性灵敏度，并证明该方案在当前技术下可行，可用于检验引力红移对量子相干性的影响。
2024-08-23 cond-mat.quant-gas gr-qc physics.atom-ph
Balanced Coherence Times of Mixed-Species Atomic Qubits in a Dual $3\times3$ Magic-Intensity Optical Dipole Trap Array
在这项工作中，我们构建了一个偏振介导的魔强（MI）光偶极阱（ODT）阵列，其中的混合物种量子比特的光位移的不利影响被有效地减轻，使混合物种量子比特的相干时间都大大增强和平衡的第一次。这种混合粒子魔阱技术依赖于三阶交叉项系数和基态超极化率的可调谐性，而这两个特性与陷阱激光器的圆偏振度密切相关。在实验上，用于$^{85}$ Rb量子位的ODT阵列的偏振被精细地调整到确定值，使得其用于魔术捕获所需的工作磁场等于在具有完全圆偏振的另一ODT阵列中魔术捕获$^{87}$ Rb量子位所需的工作磁场。最终，在这种偏振介导的MI-ODT阵列中，$^{87}$ Rb和$^{85}$ Rb量子比特的相干时间分别提高到891 $\pm$ 47 ms和943 $\pm$ 35 ms。并且通过使用浅魔强度可以实现对$^{85}$ Rb量子比特的相应退相效应的减小。可以预见，这种新型的混合物种MI-ODT阵列是一种用于构建具有中性原子的可扩展量子计算机的通用平台。
2019-07-30 physics.atom-ph quant-ph
Toward a quantum-enhanced strontium optical lattice clock at INRIM
INRIM的新锶原子钟旨在通过加入最先进的光晶格时钟和腔QED装置提供的量子化电磁场来建立量子测量的新前沿。我们实验的目标是将先进的量子技术应用于最先进的光晶格时钟，在保持长相干时间和最高精度的同时展示增强的灵敏度。本文介绍了目前的实验现状和所设计的腔QED装置的灵敏度增益。
2020-06-18 physics.atom-ph
A quantum many-body spin system in an optical lattice clock
强相互作用的量子多体系统在科学中基本上是令人信服和普遍存在的。然而，它们的复杂性通常阻止了它们的动力学的精确解。精确设计的超冷原子气体正在成为解决这些具有挑战性的物理问题的有力工具。在这里，我们提出了一个新的实验室的多体效应的研究：强相互作用的二能级系统所形成的时钟态在${}^{87}$ Sr，这是用来实现一个中性原子光学时钟，执行在最高水平的光学原子的相干性和精度的限制附近的量子涨落。我们的集体自旋演化的测量揭示了多体动力学的签名，包括超越平均场效应。我们推导出一个多体哈密顿量，它描述了实验观察到的严重扭曲的线形，原子自旋相干衰减，密度相关的频率偏移，和相关的量子自旋噪声。这些研究为利用高度相干和精确控制的光晶格钟研究具有光能分裂的量子系统中的量子多体效应和纠缠打开了大门。
2012-12-27 cond-mat.quant-gas physics.atom-ph quant-ph
Evaluation of the systematic shifts of a ${}^{40}\textrm{Ca}^+-{}^{27}\textrm{Al}^+$ optical clock
基于量子逻辑的${}^{27}\textrm{Al}^+$光学时钟已经在几种方案中得到了证明，因为辅助离子种类有不同的选择。在本文中，我们提出了第一个详细的评估系统的移位和总的不确定度的${}^{27}\textrm{Al}^+$光学时钟的同情冷却的${}^{40}\textrm{Ca}^+$离子。估计了${}^{40}\textrm{Ca}^+ - {}^{27}\textrm{Al}^+$量子逻辑钟的总系统不确定度为$7.9 \times 10^{-18}$，它主要受二次塞曼位移的不确定度限制。通过比较两束对向传播的时钟束在同一离子上的频率，我们测量了频率稳定度为$3.7 \times 10^{-14} /\sqrtτ$。
2022-08-05 physics.atom-ph
Direct comparison of two spin squeezed optical clocks below the quantum projection noise limit
构建可扩展的量子系统，展示基于纠缠的真正性能增强是包括计算，网络，模拟和计量学在内的领域的主要科学目标。巨大的挑战来自于越来越大的量子系统中纠缠的脆弱性。利用大量原子的光学原子钟推动了测量科学的前沿，建立在量子态的精确工程和原子相互作用的控制之上。然而，当今最先进的光学原子钟受到由许多不相关原子定义的量子投影噪声（QPN）的限制。关于产生原子自旋压缩态的开创性工作已经显示了将纠缠集成到性能最好的时钟中的途径。然而，为了在工作时钟中直接展示量子纠缠的优势，我们必须防止降低量子相干性并引入不受控制的扰动的反作用效应，以及最小化来自询问时钟激光器的技术噪声的影响。本文提出了一种新的集成集体强耦合腔QED的光钟平台，用于量子非破坏（QND）测量。优化自旋测量精度和相干性损失之间的竞争，我们测量了1.9 × 10 $^4$原子的-1.8（7）dB的Wineland参数，从而验证了纠缠的存在。此外，移动晶格允许腔单独寻址两个独立的子系综，使我们能够连续自旋挤压两个时钟系综并比较它们的性能。两个压缩时钟之间的这种差分比较直接验证了在10 $^{-17}$的测量精度水平下，在QPN以下2.0（3）dB和标准量子极限（SQL）以上0.6（3）dB的增强的时钟稳定性，而没有减去任何技术噪声贡献。
2022-11-17 physics.atom-ph quant-ph
Coherent evolution of superexchange interaction in seconds long optical clock spectroscopy
本研究利用近单位填充的锶三维光晶格，通过光钟激光引入自旋-轨道耦合并调控费米-哈伯德哈密顿量，在秒级时间尺度上直接观测到可调的超交换相干相互作用，为三维光晶格钟探测量子磁性与自旋纠缠奠定基础。
2024-02-20 cond-mat.quant-gas physics.atom-ph
Optimal Distillation of Qubit Clocks
该研究针对量子比特系统，在时间平移不变操作下确定了相干性蒸馏的最优渐近保真度，发现最低不保真度与相干性纯度成反比，并给出了高阶修正及数值求解方法。
2025-10-09 cond-mat.stat-mech math-ph math.MP
High precision differential clock comparisons with a multiplexed optical lattice clock
在过去的十年中，光学原子钟的精确度和准确度的快速进步推进了计时，计量学和量子科学的前沿。然而，大多数光学钟的稳定性仍然受到本机振荡器的限制，而不是原子本身，这为进一步的发展留下了空间。在这里，我们实现了一个“多路复用”的一维光晶格时钟，其中空间分辨，超冷锶原子的可移动的合奏被困在同一个光晶格，同时询问由共享的时钟激光器，并在并行读出。通过对系综对进行同步Ramsey询问，我们观察到原子-原子相干时间长达26秒，比原子-激光相干时间提高了270倍，证明了$9.7(4)\times10^{-18}/\sqrtτ$的相对稳定性（其中$τ$是以秒为单位的平均时间），并在平均3.3小时后达到$8.9(3)\times 10^{-20}$的分数不确定性。这些结果表明，应用程序需要超高精度的光学原子钟之间的比较，不需要限制本地振荡器的稳定性。利用多个系综对，我们实现了一个由6个原子系综组成的小型化时钟网络，得到了15个相对稳定度低于$3\times10^{-17}/\sqrtτ$的独特的成对时钟比较。最后，我们展示了同时加载空间分辨的，异质系综对的所有四个稳定同位素的锶在晶格中的能力。该平台提供的独特能力为未来的研究铺平了道路，包括精确的同位素位移测量，有限时钟系统的空间分辨特性，基于时钟的引力波和暗物质探测器的开发，以及相对论的新测试，包括在亚厘米尺度上测量引力红移。
2021-09-24 physics.atom-ph physics.ins-det quant-ph
Tests of local position invariance using continuously running atomic clocks
通过比较基于不同原子的原子钟的相对红移，对多种原子对进行了局域位置不变性（LPI）检验。在大多数情况下，每年的几次绝对频率测量用于寻找年度信号，从而导致可以跨越十年的测试。通过使用连续运行的时钟的输出，我们在不到1.5年的时间内进行了具有可比或更高精度的LPI测试。其中包括对Rb 87和Cs 133以及H和Cs 133超精细跃迁的红移异常β差异的新测量，以及对Rb 87和H的比较测量，导致LPI的严格限制，β（Rb）- β（H）=（-2.7 +/- 4.9）x 10^（-7）。本文讨论了对连续时钟进行这些测量的方法。
2013-01-25 physics.atom-ph
Realization of a fast triple-magic all-optical qutrit in strontium-88
Max-Planck-Institut für Quantenoptik（马克斯·普朗克量子光学研究所）；Munich Center for Quantum Science and Technology (MCQST)（慕尼黑量子科学与技术中心）；Fakultät für Physik, Ludwig-Maximilians-Universität（路德维希-马克西米利安大学物理学院）
该研究在锶-88中实现了双钟跃迁的同步魔法陷阱，通过双光子和三光子耦合实现高保真度的全光量子三重态操控，并发现魔角调制陷阱下的原子间相干时间可达715(30)毫秒。
2025-08-20 physics.atom-ph quant-ph
Optical frequency ratio of a ${}^{171}\mathrm{Yb}^+$ single-ion clock and a ${}^{87}\mathrm{Sr}$ lattice clock
我们报告直接测量的频率比的642太赫兹${}^2S_{1/2} (F=0)$ - ${}^2F_{7/2} (F=3)$电八极跃迁的${}^{171}\mathrm{Yb}^+$和429太赫兹${}^1S_0$ -${}^3P_0$过渡的${}^{87}\mathrm{Sr}$。在2012年12月至2019年10月期间，在Physikalisch-Technische Bundesanstalt进行了一系列107次测量。该比值的长期变化大于少数$10^{-17}$的个体测量不确定性的预期。这些变化的原因仍然未知。即使考虑到这些，我们发现一个分数的不确定性的频率比的$2.5 \times 10^{-17}$，这提高了以前的知识由一个数量级。平均频率比为$ν_{\mathrm{Yb}^+} / ν_{\mathrm{Sr}} = 1.495\,991\,618\,544\,900\,537(38)$。这是迄今为止两种不同原子种类之间最精确的测量之一。
2020-09-11 physics.atom-ph
Magic radio-frequency dressing of nuclear spins in high-accuracy optical clocks
利用非共振射频场修饰核自旋，设计了一个塞曼不敏感的原子跃迁光钟。对于像$^{87}$ Sr、$^{171}$ Yb和$^{199}$ Hg这样的费米子物质，射频驱动幅度和频率之间的特定比率导致“神奇”磁值，其中塞曼时钟偏移的净消除和一阶磁变化的完全减少在低于$10^{-18}$水平的相对不确定度内产生。描述半经典射频修饰自旋的Autler-Townes连分数进行了数值计算，并与包括高阶磁场修正的修饰能量的解析量子描述进行了比较。
2012-11-21 physics.atom-ph quant-ph
Inner-shell clock transition in atomic thulium with small BBR shift
通过直接极化率测量，我们证明了Tm原子在$1.14\,μ$ m处的内壳层时钟跃迁对外部直流电场和黑体辐射（BBR）的灵敏度极低。测量了Tm原子在810- 860 nm和1064 nm波长下的钟能级微分极化率，并由此推断出室温下$-0.047(18)$原子单元内壳层钟跃迁的静态标量微分极化率，该原子单元对应于BBR的$2\times10^{-18}$分数频移.这与中性原子（Sr、Yb、Hg）中的时钟跃迁的BBR移位相比小几个数量级，并且与最不敏感的离子种类（例如Al $^+$或Lu $^+$）竞争。对于$1.14\,μ$ m时钟跃迁，我们实验测定了$813.320(6)$的“魔”波长，nm，记录了$10$的跃迁谱线宽度，Hz，并测量了其绝对频率$262\,954\,938\,269\,213(30)$，Hz.
2018-09-26 physics.atom-ph
Frequency ratios of Sr, Yb and Hg based optical lattice clocks and their applications
本文介绍了中性锶（$^{87}$ Sr）、镱（$^{171}$ Yb）和汞（$^{199}$ Hg）原子光晶格钟的最新进展。特别是，我们目前的时钟之间的频率比较本地通过一个光学频率梳和两个Sr时钟之间在远程站点使用相位稳定的光纤链路。我们首先回顾低温锶光晶格时钟，减少了两个数量级的室温黑体辐射移位，并作为参考，在下面的时钟比较。Sr和Yb原子相似的物理性质，如跃迁波长和蒸汽压，使我们能够开发出两种物质的兼容时钟。通过参考Sr时钟来评估低温Yb时钟。我们还报道了一个汞钟，这表明一个数量级的黑体辐射的灵敏度低，而其大的核电荷使时钟的精细结构常数的变化敏感。通过光学频率梳连接所有三种类型的时钟，确定时钟频率的比率，其不确定性小于通过绝对频率测量可能的不确定性。最后，我们描述了两个锶为基础的远程时钟超过15公里的距离RIKEN和东京大学之间的同步频率比较，相对论大地测量的一步。
2015-05-13 physics.atom-ph
Possibility to construct a clock on non 0-0 transition
在这封信中，我们讨论了非0-0原子线作为参考跃迁设计新的原子钟的可能性。所提出的时钟工作在高C场制度提供了一个有趣的替代传统的时钟的基础上0-0的过渡，因为前者也可以消除一阶塞曼效应的影响。利用Breit-Rabi公式，我们从理论上计算了不同碱金属原子种类的磁不灵敏频率和相应的C场值。我们还提供了一个估计的频率偏移的C-场的变化的不确定性。我们证明了基于Cs：3，-1 - 4，0，3，0 - 4，-1和3，-1 - 4，-1的高C场时钟可以在C场不确定度为10-6的情况下实现10-14的偏置。3，-1 - 4，0或3，0 - 4，-1跃迁的自由一阶塞曼效应C场约为3，-1 - 4，-1跃迁的一半。
2019-10-23 physics.atom-ph
A hybrid atom tweezer array of nuclear spin and optical clock qubits
本研究构建了双同位素镱原子混合光镊阵列，将171Yb核自旋用作数据量子比特、174Yb光钟量子比特用作辅助量子比特，测得低串扰下的高相干保留率与成像保真度，为量子纠错协议提供新平台。
2024-09-11 cond-mat.quant-gas physics.atom-ph quant-ph
A Fully Fiber-Integrated Ion Trap for Portable Optical Atomic Clocks
我们提出了一种新颖的，单离子阱集成光纤直接嵌入陷阱结构提供激光以及收集离子的荧光。这消除了对光学窗口的需要。我们测试了系统的性能，并测量了离子荧光的信号背景比为50，这使我们能够在600 $μ$ s内以99%以上的保真度进行状态读出。我们测试了系统在22 ° C至53 ° C范围内对热变化的弹性，以及系统在34 Hz和300 Hz下的振动弹性，发现对其性能没有影响。我们的光纤耦合阱的紧凑性和鲁棒性的结合，使其非常适合应用，以及外部，研究实验室环境，特别是高度紧凑的便携式光学原子钟。虽然我们的系统被设计用于捕获$^{40}$ Ca $^{+}$离子，但是基本设计原理可以应用于其它离子种类。
2023-01-12 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
On a definition of the SI second with a set of optical clock transitions
目前的SI秒的基础上的原子超精细跃迁的基态的133 Cs的，预计将被取代的一个新的定义的基础上的光学频率标准，其估计的不确定性，现在已经建立了两个数量级低于最好的Cs的主要标准的准确性。然而，这种对秒的重新定义受到许多原子种类成为新的主要频率标准的潜在竞争者的事实的阻碍。在本文中，我们提出了解决这个问题，定义一个复合频率单位的基础上加权几何平均的各个频率的不同原子的过渡。该单位具有的属性是可实现的任何单一的时钟，其过渡组成的单位，提供了至少几个频率比是可用的，与精度略有不同的标称时钟不确定性。我们表明，该单位可以更新的性能的贡献过渡演变，而不会引起漂移的单位本身。
2019-11-13 physics.atom-ph
Phase locking a clock oscillator to a coherent atomic ensemble
当在较长的询问间隔上测量原子叠加态的相位演化时，原子干涉仪的灵敏度增加。在实践中，测量过程设定了一个极限，它返回的不是相位，而是它在两个能级上的布居差的投影。因此，关系可以被反转的相位间隔被限制为间隔$[-π/2,π/2]$ ;超过它会在读出中引入模糊性，因此灵敏度损失。在这里，我们扩展的明确的时间间隔探测原子系综的相位演化，使用相干保持测量和相位校正，并演示了时钟振荡器的原子叠加态的锁相。提出了一种基于锁相的改进原子钟在本振噪声下性能的方案，并展望了该方案在惯性传感器等其他原子干涉仪中的应用前景。
2015-05-04 physics.atom-ph
Lifetime-Limited Interrogation of Two Independent ${}^{27}\textrm{Al}^{+}$ Clocks Using Correlation Spectroscopy
激光退相干通过加宽可观察到的共振线宽和在时钟探针之间的死区时间期间增加噪声来限制光学时钟的稳定性。相关光谱学通过测量两个系综之间的相关原子跃迁来避免这些限制，这提供了独立于激光噪声的频率差测量。在此，我们应用此技术基于$^{27}$ Al $^+$中的$^1S_0\leftrightarrow{}^3P_0$转变来执行两个独立时钟之间的稳定性测量。通过稳定的两个时钟之间的差分相位噪声的主要来源，我们观察他们之间的相干性在同步拉姆齐询问只要8秒，频率为$1.12\times10^{15}$ Hz。在相关光谱信号中观察到的对比度与20.6 s $^3P_0$状态寿命一致，并且支持当死区时间可以忽略时，平均周期长于探测持续时间的$(1.8\pm0.5)\times 10^{-16}/\sqrt{τ/\textrm{s}}$的测量不稳定性。
2020-07-04 physics.atom-ph
Hamiltonian engineering of spin-orbit coupled fermions in a Wannier-Stark optical lattice clock
设计具有可调相互作用的哈密顿系统为优化量子传感的性能和探索多体系统的新兴现象提供了机会。基于引力倾斜浅晶格中的部分离域Wannier-Stark态的光晶格时钟通过自旋轨道耦合支持优异的量子相干性和可调节的相互作用，从而呈现出强大的自旋模型实现。现场和场外的相互作用的相对强度可以调整，以实现在一个“魔术”晶格深度的零密度偏移。这种机制与大量的原子一起，能够证明最稳定的原子钟，同时最大限度地减少与原子密度相关的关键系统不确定性。相互作用也可以通过驱动离位Wannier-Stark转变来最大化，实现铁磁到顺磁的动态相变。
2022-01-15 cond-mat.quant-gas physics.atom-ph
Simultaneous coherence enhancement of optical and microwave transitions in solid-state electronic spins
固态电子自旋在量子信息科学中被广泛研究，因为它们的大磁矩为计算和通信提供快速操作，并且为传感提供高灵敏度。然而，电子自旋对磁噪声更敏感，但其光谱特性的工程，例如使用时钟跃迁和同位素工程，可以产生显着的自旋相干时间，如GaAs中的电子自旋，硅中的施主和金刚石中的空位中心。在这里，我们证明了同时诱导的时钟跃迁的微波和光域的同位素纯化$^{171}$ Yb $^{3+}$：Y $_2$ SiO $_5$晶体，达到100以上的$μ$ s和1 ms的相干时间在光学和微波域，分别。这种效应是由于超精细相互作用的高度各向异性，这使得每个电子-核子态都是纠缠的Bell态。我们的研究结果强调了潜在的$^{171}$ Yb $^{3+}$：Y $_2$ SiO $_5$的量子处理应用依赖于光学和自旋操纵，如光量子存储器，微波到光量子换能器，和单自旋检测，而它们也应该是可观察到的一系列不同的材料与各向异性超精细相互作用。
2018-07-27 cond-mat.mtrl-sci physics.atom-ph quant-ph
A high-performance optical lattice clock based on bosonic atoms
迄今为止，仅使用费米子证明了在$10^{-17}$范围及以下具有不确定性和不稳定性的光晶格时钟。在这里，我们展示了一个玻色子光晶格时钟与$3\times 10^{-18}$的不稳定性和$2.0\times 10^{-17}$的准确性，这两个值提高了以前的工作的一个因素30。这是通过使用低温硅谐振器提供的长相干时间，通过仔细稳定相关操作参数，以及通过在低原子密度下操作，以4 s的超长询问时间探测时钟跃迁来实现的。这项工作表明，玻色子时钟，结合高度相干的询问激光器，适用于具有特殊要求的高精度应用，如高可靠性，可运输性，在太空中运行，或适用于特定的基础物理主题。作为一个例子，我们确定的$^{88}\textrm{Sr} - ^{87}$锶同位素位移与12兆赫的不确定性。
2018-03-08 physics.atom-ph quant-ph
Feedback control of persistent-current oscillation based on the atomic-clock technique
提出了一种基于磁通量子比特-谐振腔-原子混合结构的稳定持续电流拉比振荡的方案。LC谐振器与磁通量子比特弱相互作用，并将持续电流拉比振荡映射到谐振器内的电场上。该场进一步耦合到$^{87}$ Rb原子的Rydberg-Rydberg跃迁。通过测量原子布居数推导出磁通量子比特的拉比频率涨落，并通过反馈控制外部磁通偏置来稳定。数值模拟表明，反馈控制方法可以有效地抑制磁通量子比特的背景涨落，特别是在低频极限。该技术可广泛应用于不同类型的超导电路，为长时相干超导量子信息处理开辟了一条新的途径。
2018-05-02 physics.atom-ph
A clock with $8\times10^{-19}$ systematic uncertainty
本文报道一种总系统不确定度达 $8.1\ imes10^{-19}$ 的光学晶格时钟，为迄今最低；通过精确控制碰撞位移、晶格光位移、修正黑体辐射位移并测量二阶塞曼系数实现。
2024-06-08 physics.atom-ph
A Sideband-Enhanced Cold Atomic Source For Optical Clocks
我们演示了增强和优化的冷锶原子束从二维磁光阱（2D-MOT）横向加载从准直原子束通过添加边带频率的冷却激光。对冷却束和边带束的参数进行了扫描，以获得最大的原子束流，并与蒙特卡罗模拟进行了比较。对于给定的200 mW的总功率，我们获得了比传统的单频2D-MOT大2.3倍，亮4倍的原子通量。我们表明，边带增强的2D-MOT可以达到空间要求的塞曼慢系统的加载速率性能，同时它可以克服由于热光束碰撞和热黑体辐射移位的系统效应，使其适用于可移动和精确的光晶格时钟。最后，我们数值研究了边带增强的2D-MOT到其他碱土物种的可能扩展。
2019-09-12 physics.atom-ph
New Clock Comparison Tests of Lorentz Symmetry
本文提出了两种新的测量方法，分别用~（129）He ~ 3塞曼脉泽和氢原子脉泽测量了Lorentz和CPT破坏。洛伦兹和CPT对称性的实验研究为粒子物理学的标准模型和引力理论的框架提供了重要的检验。在10^-31 GeV能级上，双组分的He-129 / He-3塞曼脉泽束缚了CPT和中子洛伦兹对称性的破坏。用氢原子脉泽进行的测量提供了一个在10^-27 GeV能级上质子CPT和洛伦兹对称性破坏的清晰极限。
2000-07-18 hep-ex hep-ph physics.atom-ph
$^{115}$In$^+$-$^{172}$Yb$^+$ Coulomb crystal clock with $2.5\times10^{-18}$ systematic uncertainty
本研究提出基于$^{115}$In$^+$跃迁、以$^{172}$Yb$^+$做 sympathetic冷却的可扩展混合库仑晶体钟，实现$2.5\times10^{-18}$系统不确定度，刷新频率比测量精度并降低不稳定性。
2025-01-16 physics.atom-ph quant-ph
Systematic uncertainty due to background-gas collisions in trapped-ion optical clocks
我们描述了一个框架，用于计算由背景气体碰撞引起的捕获离子光学原子钟的频移和不确定性，并将此框架应用于$^{27}$ Al $^+$时钟，使总分数系统的不确定性低于$10^{-18}$。对于这个时钟，与38（19）nPa的室温H $_2$背景气体，我们发现，碰撞加热产生一个非热分布的运动态的平均时间膨胀移位的顺序$10^{-16}$在150 ms的探针，这是没有检测到的边带测温能量测量的结束。然而，碰撞加热的光谱信号的贡献被高度抑制，我们计算的BGC位移是$-0.6(2.4)\times 10^{-19}$，其中的移位是由于碰撞加热时间膨胀和不确定性是主要的最坏情况下的$\pm π/2$约束用于碰撞相移的$^{27}$铝$^+$叠加态。我们实验验证的框架，并确定在原位使用测量的碰撞率，导致混合物种离子对的重新排序的背景气体压力。
2019-07-23 physics.atom-ph
Entanglement-enhanced optical ion clock
本研究制备纠缠态⁴⁰Ca⁺离子光学钟，通过一阶磁场不敏感纠缠态延长相干时间、缩短探测周期，实验验证其频率不稳定性优于经典关联态及无关联离子的量子投影噪声极限，创⁴⁰Ca⁺离子钟不稳定性新低。
2025-06-13 physics.atom-ph
New Limits on Coupling of Fundamental Constants to Gravity Using $^{87}$Sr Optical Lattice Clocks
中性$^{87}$ Sr中的$^1\mathrm{S}_0$ - $^3\mathrm{P}_0$时钟跃迁频率$ν_\text{Sr}$相对于Cs标准已经由位于博尔德、巴黎和东京的三个独立实验室在过去三年中测量。在$1\times 10^{-15}$能级上的一致性使得$ν_\text{Sr}$成为最佳一致的光学原子频率。我们结合周期性变化的$^{87}$锶时钟频率与$^{199}$汞$^+$和H-脉泽数据测试本地位置不变性获得最强的限制，迄今为止的引力耦合系数的精细结构常数$α$，电子-质子质量比$μ$和轻夸克质量。此外，在$^{199}$ Hg $^+$、$^{171}$ Yb $^+$和H之后，我们又增加了$^{87}$ Sr作为第四种光学原子钟物种，以增强对$α$和$μ$年漂移的约束.
2008-04-29 physics.atom-ph physics.gen-ph
Optical atomic coherence at the one-second time scale
由于中性原子系综的快速退相干，最高分辨率的激光光谱学通常仅限于单囚禁离子系统。在这里，精密光谱的超冷中性原子限制在一个陷阱的潜力，显示优越的光学相干性，没有任何有害的影响，从运动的自由度，揭示了光学共振线宽在赫兹级具有良好的信噪比。共振品质因数为2.4 x 10^{14}，是任何形式的相干光谱学中恢复的最高值。光谱分辨率允许直接观察到在小磁偏置场下87 Sr的1 S 0和3 P0光学钟态的核自旋简并的破坏。这种类似光学NMR的方法允许精确测量两种状态之间的差分Lande g因子。大量原子的集体激发所表现出的光学原子相干性将对量子测量和精密频率计量产生强烈的影响。
2006-10-13 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Signatures of macroscopic quantum coherence in ultracold dilute Fermi gases
我们提出了一种双阱结构用于超冷两种费米-玻色原子混合物的光囚禁。分析了费米气体超流相变引起的宏观量子相干性的两个特征。第一个签名是基于费米对隧穿时，退细化激光束的功率显着降低。第二个依赖于在费米子被困在两个急剧分离的潜在的最小值的制度的干涉条纹的观察。这两个签名都依赖于费米样品的小退相干时间，这应该是可能的，通过使用玻色气体作为制冷机达到低温，并使用双色光学偶极阱进行限制，两种物质之间具有最佳的热容匹配。
2004-11-15 cond-mat.stat-mech cond-mat.supr-con physics.atom-ph
Identification of highly-forbidden optical transitions in highly charged ions
针对多数高电荷离子时钟跃迁频率不确定性大的问题，本文探索了三种受量子逻辑启发的实验搜索技术，用于搜寻线性Paul阱中高电荷离子的亚赫兹禁戒跃迁，为高精度高电荷离子光学钟研发提供工具支撑。
2024-12-13 physics.atom-ph physics.ins-det physics.optics
Stabilizing Rabi Oscillation of a Charge Qubit via Atomic Clock Technique
我们提出了一种超导电路-原子混合体，其中岛中单个过剩库珀对的拉比振荡通过普通的原子钟技术来稳定。超导电路中的噪声被映射到电压源上，该电压源通过电感器和栅极电容器偏置库珀对盒。门电荷的快速波动被电感电容谐振器显著抑制，导致长弛豫时间拉比振荡。更重要的是，通过使用一般的反馈控制方法，其中通过连续测量dc-Stark-shift-induced原子Ramsey信号来稳定电压偏置，进一步减小了残余的低频波动。由此产生的电荷-量子比特拉比振荡的稳定性和相干时间都得到增强。详细研究了这种库珀对盒振荡器的主要结构。
2018-01-04 physics.atom-ph quant-ph
Laser Phase and Frequency Stabilization Using Atomic Coherence
本文提出了一种新的、简单的利用原子蒸气偏振光谱稳定激光相位和频率的方法。与使用腔作为激光相位记忆的Pound-Drever-Hall方法类似，该方法使用原子相干性（偶极振荡）作为发射激光场的相位记忆。使用分布反馈激光二极管和铷蒸气室的初步实验证明了散粒噪声限制的激光线宽减小（从2 MHz到20 kHz）。这种方法将提高基于气室的光学原子钟和磁强计的性能，并促进使用窄跃迁的激光冷却实验。
2012-09-04 physics.atom-ph
