光晶格原子钟研究进展

经过近20年的发展,基于光频跃迁的光晶格原子钟展示了优异的频率稳定度和不确定度,是重定义时间单位“秒”的有力候选者之一。随着地面基准光晶格原子钟性能的提升,光晶格原子钟已经成功地走出了实验室,实现了可搬运晶格原子钟并正在研制可在太空中运行的空间光晶格原子钟。本文综述了影响光晶格原子钟稳定度和准确度的关键因素,以及抑制或者消除这些因素的主要技术;并结合国内外的研究成果,综述了地面基准光晶格原子钟、可搬运光晶格原子钟和空间光晶格原子钟的技术特点和研究进展。     

冷原子气体的时频测量——光晶格原子钟

基于冷原子气体的时频测量在近20年里快速发展,引起了人们的广泛关注,其典型代表是基于大量中性原子的光晶格原子钟。利用超稳钟激光同时探测囚禁在光晶格里成千上万个冷原子的钟跃迁信号,光晶格原子钟已实现10^-18量级的频率准确度和10^-17量级的秒级稳定度,大幅度提高了时频测量的精度。文章概述了光晶格原子钟的发展历史、工作原理、性能评估及应用前景。     

冷原子气体的时频测量——光晶格原子钟

基于冷原子气体的时频测量在近20年里快速发展,引起了人们的广泛关注,其典型代表是基于大量中性原子的光晶格原子钟。利用超稳钟激光同时探测囚禁在光晶格里成千上万个冷原子的钟跃迁信号,光晶格原子钟已实现10^-18量级的频率准确度和10^-17量级的秒级稳定度,大幅度提高了时频测量的精度。文章概述了光晶格原子钟的发展历史、工作原理、性能评估及应用前景。     

光晶格原子钟及其在基础物理学中的应用

光晶格原子钟已经实现了10^-18量级的系统不确定度和10^-19量级的频率稳定度,是下一代“秒”定义的候选装置之一。凭借优异的系统性能,光晶格原子钟逐渐在基础物理研究领域发挥重要作用。文章综述了光晶格原子钟的研究背景、工作原理、关键实验技术及其在基础物理研究等方面的应用。     

光晶格中的冷原子

光晶格是一种人造光晶体,它是由反向传播激光束干涉形成的周期性势阱构成的。光晶格的周期、势深等参量可以通过调节激光的强度和频率等来准确控制。作为一个纯净可控的实验平台,光晶格已经逐渐成长为模拟多体系统的最便利的工具之一。文章对光晶格中冷原子进行了简单的介绍,重点阐述了玻色—爱因斯坦凝聚、激光冷却、光晶格和量子相变等内容。     

锶原子光晶格钟

进入21世纪以来,锶原子光晶格钟经历了快速的发展,系统频移的不确定度指标已经超越现有的秒定义基准铯原子喷泉钟,进入到10~(-18)量级,体现了人类精密测量能力的最高水平,是精密测量物理的热点研究内容.本综述简要介绍了锶原子光晶格钟的发展水平;详细介绍了锶原子光晶格钟的各个组成部分和关键技术、如何进行精密光谱探测和闭环锁定以及各项系统频移的不确定度评估方法和锶原子跃迁绝对频率测量的方法等;最后简要介绍了锶光钟的应用和未来发展趋势.     

基于光晶格的超冷原子量子模拟

文章从超冷原子研究的视角出发,回顾了用“从下到上”的方案来开展量子模拟研究的历史。超冷原子作为宏观量子态,各个自由度精确可控,是量子模拟的绝佳平台。光晶格将冷原子物理和凝聚态物理融合起来,是其中最重要的技术之一,为超冷原子量子模拟提供了一个扎实的落脚点。近年来,关于拓扑量子模拟的研究日益兴起,成为超冷原子量子模拟新的重要方向。文章介绍这方面近期的一些工作进展。最后分享作者对超冷原子量子模拟的一些思考。     

光晶格钟为守时设立新标准

<正>这类钟的优势在于使用的原子数量;它不是按照单个原子的节奏嘀嗒走针,而是同时与几千个原子同步。从1955年原子钟出现至今,量子时间计量的准则一直没有改变:将原子与外场隔离,调谐相干辐射源频率到原子跃迁,并通过对辐射振荡周期的计数来测量时间。     

锶原子光晶格钟塞曼减速器的设计与实现

介绍了一种以电脑程序模拟计算线圈分布的方法,以精确匹配作为锶原子光晶格钟中作为冷却装置的塞曼减速器的理论塞曼磁场。说明了优化设计程序的算法结构及基本流程,并对实验中的实际塞曼磁场和锶原子光晶格钟磁光阱信号进行测量。这种设计方法完全基于电脑程序的模拟运算,可以根据实际情况改变物理参数和磁场模型,并迅速有效地计算出与之匹配的线圈分布。计算磁场相对于理论磁场的均方根(RMS)达到2.17×10~(-4)T,实现了较高的磁场匹配度。     

从引力波探测中的压缩光到光原子钟

2020年度“墨子量子奖”授予量子精密测量领域,获奖科学家是Carlton Caves,香取秀俊和叶军.香取秀俊和叶军又获得2021年基础物理学突破奖.对于引力波探测中的量子噪声,Caves分析了海森堡不确定关系所带来的测量精度极限,并且提出用压缩光来克服这个极限.这个方法已经被探测引力波的激光干涉仪实际采用.原子钟基于原子中电子改变能量状态时,发射或吸收的电磁波,提供了最精确的时间和频率标准.与基于微波的原子钟相比.光原子钟,特别是光晶格上的大量原子,可以达到更好的精度.叶军的研究组将约1万个锶原子放在3维光晶格中,实现光原子钟,相对精度达到2.5×10^-19.香取秀俊的研究组搭建的两个可移动光原子钟,精度达到了5×10^-18,并用来测量了引力红移,达到地面测量的最好精度.     

光学频率标准与光钟的实现

综述了时间频率标准的发展过程.对构成光学频率标准的四个要素,即激光冷却、激光稳频、离子捕陷和光学频率梳进行了系统的介绍.详细描述了光钟的原理与系统构成,并对光学频率标准与光钟的应用前景进行了展望.     

高精度可搬运钙离子光钟

时间的计量一直是人们所关心的基本问题,它与人们的日常生产生活息息相关。随着科学技术的发展与进步,人类对时间的计量也越来越精确。近年来,光钟已经成为当前世界上最精确的计时工具。然而,往往因体积庞大、仅能在实验室环境工作,极大地限制了光钟的应用范围。实现可搬运、可靠、准连续运行的高精度光钟是科学家的愿望,也是对光钟科研工作者的挑战。文章将简单介绍光钟的原理,然后介绍可搬运钙离子光钟的研究进展,最后浅谈可搬运原子光钟的未来发展。     

光钟

时间标准的研究在人类生活和科学探索中有着举足轻重的地位.文章简要介绍了时间的基本单位“秒”定义的几次重要发展与变迁,重点介绍了光钟的工作原理、关键部件、研究进展和光钟对“秒”定义未来发展的重要性.     

Quantum Entanglement of Many Distant Bose-Einstein Condensates in an Optical Lattice by Interference

We propose a scheme to generate maximally entangled states of two distant Bose-Einstein condensates, which are trapped in different potential wells of a one-dimensional optical lattice. We show how such maximally entangled state can be used to test the Bell inequality and realize quantum teleportation of a Bose-Einstein condensate state. The scheme proposed here is based on the interference of Bose-Einstein condensates leaking out from different potential wells of optical lattice. It is briefly pointed out that this scheme can be extended to generate maximally entangled Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) states of 2m (m >1) distant Bose-Einstein condensates.     

氢原子钟壁移的测量和消除

指出了克服氢原子钟壁移问题的必要性. 给出了一种测量氢钟壁移的简易方法,讨论了减小壁移的技术. 该文的方法和技术有助于进一步改善氢原子钟的长期稳定度.     

小型化铷原子钟高精度频率调节电路设计

在GPS驯服铷钟等相关应用领域中，小型化铷原子钟的频率调节精度是一项重要性能指标．该性能一般由铷钟整机系统中倍频综合器的数字锁相环（PLL）分辨率决定．目前作者所在的课题组研制了一款小型化高性能铷原子钟，具有良好的稳定度指标，但其频率调节无法满足高精度的需求．针对这一问题，本文对原小型化铷原子钟的倍频综合电路进行了分析研究和改进设计，基于一款高精度直接数字频率合成器（DDS）芯片设计了一种小数倍频综合电路，在保证小型化铷原子钟仍具有高稳定度指标的同时，实现了其高精度频率调节的功能．     

主动型氢原子钟原子弛豫时间的测量和分析

氢原子钟的原子弛豫时间是原子系统经过选态去除基态超精细能级（F = 0,m_F = 0）态和（F = 1,m_F = −1）态原子后,部分氢原子从（F = 1,m_F = 0）态跃迁至（F = 0,m_F = 0）态直至原子系统达到平衡状态所需的时间,该参数反映了原子的寿命,并直接影响氢原子钟的稳定度指标.为了测量主动型氢原子钟的弛豫时间,进而评估其性能,通过Raspberry Pi（RPI）产生时序信号,控制数字衰减器和电离源供电电路的继电器,从而控制微波探测信号的开启和原子束流的通断,并与数据采集等电路组成了氢原子自由感应衰减测试系统.通过对采集的自由感应衰减信号建模拟合,测算了氢原子钟的弛豫时间.该方法对于评估和优化原子线宽,改进主动型氢原子钟稳定度指标具有重要的参考意义.