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.     

拉曼喷泉原子钟

利用托曼光场代替喷泉原子钟的微波腔实现拉曼喷泉原子钟.将分离托曼光场技术与冷原子喷泉技术相结合.避免了存真空腔内放置微波腔,简化了真空系统.同时还保持了很高的准确度.采用半经典理论研究了冷原子喷泉与托曼光场的相互作用过程.得到了冉赛(Ramsey)条纹.比较了托曼喷泉原子钟与热铯束拉曼原子钟,前者有更小的体积和功耗,其精度可能达到或超过商用小铯钟.还比较了拉曼喷泉原子钟与微波喷泉原子钟的差别,分析了光子反冲的影响,提出利用同向传播和相向传播的两台拉曼原子钟测最精细结构常数.     

脉冲微波激发氢原子Ramsey干涉研究

该文开展利用Ramsey干涉现象设计被动型氢原子钟的可行性研究. 该方案的核心是用脉冲微波激励氢原子发生共振跃迁. 通过理论计算确定了关键参数,研制了脉冲微波发生电路. 利用现有的被动型氢原子钟的物理部分,成功观察到氢原子共振跃迁的Ramsey干涉,将原子跃迁谱线宽度从原来的3 Hz压缩至1.2 Hz. 这为进一步提高被动型氢原子钟的稳定度指标提供了一种新思路.     

冷原子干涉仪探测激光功率稳定系统实验研究

为降低探测激光功率抖动对高精度冷原子干涉仪测量结果的影响,以声光调制器作为激光强度反馈媒介,采用混频器对声光调制器驱动射频功率进行控制,搭建了用于冷原子干涉仪探测激光脉冲的功率稳定系统,实现了冷原子干涉仪探测过程中激光脉冲的快速功率稳定.功率稳定后,激光脉冲的功率稳定建立时间达到μs量级,功率稳定度优于2.11×10-...     

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。     

探测器对量子增强马赫-曾德尔干涉仪相位测量灵敏度的影响

研究了强度差测量方案下,探测器量子效率对光子数态、关联数态、压缩真空态三种量子光源注入的马赫-曾德尔干涉仪相位测量灵敏度的影响.获得了相位测量灵敏度与效率的定量关系,比较了探测效率对不同量子态注入的干涉仪相位灵敏度的影响.研究表明：光子数态注入时,相位测量灵敏度始终不能超越标准量子极限;关联数态注入时,无论多大的光子数,要获得相位测量的量子增强,探测效率不得小于75%;对于压缩真空态,只要有压缩存在就可以获得一定的相位测量的量子增强;关联数态、压缩真空态的注入,相位灵敏度皆随探测效率的增大而不同程度的提高,且压缩真空态比关联数态具有更好的量子增强效果.给出了在量子增强的精密测量实验中对探测效率的要求,并结合实际应用说明了探测效率的提高有助于提高干涉仪探测的灵敏度.     

1989年诺贝尔奖金获得者Ramsey,Dehmelt及Paul为建立高时基作出的贡献

瑞典皇家科学院将1989年诺贝尔奖金物理学奖授予了哈佛大学的N.Ramsey、华盛顿大学的H.Dehmelt 和波恩大学的W.Paul以表彰他们在发展高精度原子光谱中所作的巨大贡献.他们的工作是当代艳原子钟及今后基于单个孤立离子跃迁的原子钟的基础.由于他们的出色工作,人们可以对广义相对论和量子电动力学在实验上进行验证并精确地测量一些基本物理常数. Ramsey荣获诺贝尔奖金物理学奖是因为他的分离振荡场的工作以及其在氢钟和其他原子钟上的应用.为克服Rabi方法中静磁场各向异性对测量精度的影响,Ramsey提出了分离振荡场的方法[1],此工作应用于…     

微重力环境下冷原子物理及其应用

文章介绍了国际上微重力环境下冷原子物理及其应用的研究工作：空间原子钟、原子干涉仪、超冷原子物理和建议中的广义相对论的探索。文中简要介绍了中国科学院上海光学精密机械研究所在微重力环境下所进行的空间原子钟、玻色-爱因斯坦凝聚和原子芯片等研究工作。     

基于线性与非线性干涉仪的量子精密测量研究进展

量子精密测量根据量子力学的基本原理,利用光、原子、磁之间的相互作用对待测物理量进行测量.随着实验条件和技术的成熟,如何利用干涉仪进一步提高位相信号这一物理量的测量精度从而打破散粒噪声的限制、突破标准量子极限并逼近海森伯极限成为研究的前沿课题.本文阐述了利用线性干涉仪(包括原子/光子干涉仪)与非线性干涉仪调用不同阶段的量子资源在测量过程中提高参数评估精度的几种方法,通过向干涉仪中输入非经典态来实现高精度测量,如压缩态、双数态、NOON态等,还介绍了为直接观测量子态而发展出的弱测量及其在非厄米系统中的应用和为消除参数之间精度制衡而提出的多参数测量.最后,对几种测量方法进行了分析比较,并展望了量子精密测量的发展前景.     

光子增加双模压缩真空态在马赫-曾德尔干涉仪相位测量中的应用

量子度量学主要是利用量子效应来提高参数估计的精度,以期突破标准量子极限,甚至达到海森伯极限.本文研究了一般光子增加双模压缩真空态作为马赫-曾德尔干涉仪的探测态时,在何种情况下能够提高待测相位的测量精度.根据量子Fisher信息理论,尽管在探测态具有相同的平均光子数这一约束条件下,对称的和非对称的光子增加操作并不能提高相位的测量精度.但若是在给定初始压缩参数的情况下,对称的和非对称的光子增加操作却能够增强相位的测量精度.另外,基于宇称测量的研究结果表明,对于对称光子增加双模压缩真空态,只有当待测相位趋于零时,宇称测量才是最优测量.而对于非对称光子增加双模压缩真空态,宇称测量并不是最优测量方案.     

原子喷泉频标:原理与发展

介绍了喷泉频标的原理与发展.喷泉频标是一项近20年来发展起来的原子钟技术,它以激光冷却技术为基础,利用该技术实现了冷原子介质的俘获与上抛.冷原子介质在上抛下落过程中首先完成原子态制备,然后两次通过微波谐振腔实现Ramsey作用,在两次作用之间原子经历自由演化,最后原子经过探测区,通过双能级荧光探测法探测原子跃迁概率得到鉴频的Ramsey干涉条纹,并实现频率锁定,其中心条纹的线宽在1Hz左右.频率稳定度和频率不确定度是喷泉频标的两个重要指标.影响喷泉钟频率稳定度的因素主要有量子投影噪声和电子学噪声,目前喷泉钟的短期稳定度为(10~(-13)—10~(-14))τ~(-1/2),长期稳定度在(10~(-16)—10~(-17))量级.喷泉频标的频率不确定度主要受二阶塞曼频移、黑体辐射频移、冷原子碰撞频移以及与微波相关的频移等的影响.目前喷泉钟的不确定度在小的10~(-16)量级.作为基准频标,喷泉钟的工作介质主要是~(133)Cs,~(87)Rb.国际各大计量机构都研制了喷泉频标,它在各地协调世界时的建立、国际原子时的校准等方面发挥着越来越重要的作用.此外,喷泉频标还用于研究高精度时频基准和时间比对链路、验证基本物理理论等.     

利用原子干涉仪的相位调制进行绝对转动测量

提出一种基于原子干涉仪的相位调制进行绝对转动测量的方法.以π/2-π-π/2构型的空间型原子干涉仪为例,通过对拉曼激光进行相位调制,然后在动量谱空间测量转动对原子速度谱的调制周期,获得原子干涉仪相对惯性空间的绝对转动.文章对于采用该法进行角速度测量的测量范围以及对相位调制频率的要求进行了分析,对于散粒噪声限下的转动测量灵敏度及其影响因素进行了仿真. 关键词： 原子干涉仪 原子陀螺 相位调制 绝对转动测量     

光学干涉仪测量极限的本科实验教学演示研究

光学干涉仪是广泛应用于量子精密测量的一种重要的光学仪器,然而由电磁场真空涨落引起的光量子噪声,限制了光学干涉仪的测量精度。为了获得更高的测量精度,测量并分析光学干涉仪的性能成为必然,其中信噪比和最小可探测值是目前最常用的分析光学干涉仪性能的主要参数。然而,在目前本科实验教学中,光学干涉仪通常被用于观察光干涉原理,缺乏对光学干涉仪性能分析的实验演示,因此本文利用Mach-Zehnder干涉仪,测量相位调制器引起的相位差变化,实现光干涉原理验证的同时,重点演示了光学干涉仪信噪比和最小可探测值的测量方法。通过本实验,本科生一方面可以直观地掌握光学干涉仪性能参数的测量方法,另一方面掌握提高测量精度的实验技术手段,为量子精密测量技术的进一步发展提供人才储备。     

脉冲光抽运铷原子钟的Ramsey信号特性研究

基于以小型化磁控管微波腔实现的脉冲光抽运铷原子钟,研究了自由演化时间对Ramsey信号特性的影响,讨论了横向弛豫时间对钟信号对比度的影响.该原子钟的自由演化时间为3ms时,Ramsey信号中心条纹的对比度为52%,散弹噪声极限优于1.7×10-14(τ=1s).利用Ramsey信号的对比度和吸收泡内的光密度,计算得到了原子钟内铷吸收泡的纵向和横向弛豫时间分别为1.95ms和2.45ms.本文研究为进一步提高脉冲光抽运铷原子钟的性能提供了重要依据.     

测量作用于粒子物质波的潮汐力

正原子干涉仪已被用于对各种物理量进行高精度测量。它们与光干涉仪类似,后者的基本组成包括:用于操纵光波的面镜、分束器等。在原子干涉仪中,上述附件的功能代之由激光脉冲完成,即用脉冲激光操控原子的物质波。激光脉冲将物质波一分为二,让两分支波沿不同的路径前进,而后两者重新组合,产生干涉图样。现在,来自斯坦福大学的Mark Kasevich和他的同事,利用原子干涉仪测量了潮汐力对单个粒子物质波的影响。潮汐力     

采用简化的飞行时间荧光成像法测量冷原子样品的等效温度

本文介绍了用于冷原子样品等效温度测量的简化的飞行时间荧光成像法。将用于激光冷却和俘获原子的冷却光,代替标准的飞行时间荧光成像法中额外引入的探测光。在铯原子磁光阱基础上,通过进一步采用偏振梯度冷却技术使冷原子等效温度有效地降低。采用简化的飞行时间荧光成像法测量的铯原子气室磁光阱(光学粘团)的等效温度,典型值为TY≈22.3±2.2μK,TZ≈15.4±2.7μK(TY≈11.6±1.1μK,TZ≈2.8±1.2μK)。本文中的简化飞行时间荧光成像方案,在不牺牲冷原子样品等效温度测量的精度和准确度情况下,更容易在实验中执行和推广,对于应用于冷原子微波原子钟、冷原子光频原子钟、冷原子干涉重力仪等量子精密测量领域,以及采用冷原子样品进一步开展量子光学、量子信息处理等领域的研究工作,具有积极意义和良好的推广价值。     

利用原子干涉仪的相位调制进行绝对转动测量

提出一种基于原子干涉仪的相位调制进行绝对转动测量的方法.以π/2-π-π/2构型的空间型原子干涉仪为例，通过对拉曼激光进行相位调制，然后在动量谱空间测量转动对原子速度谱的调制周期，获得原子干涉仪相对惯性空间的绝对转动.文章对于采用该法进行角速度测量的测量范围以及对相位调制频率的要求进行了分析，对于散粒噪声限下的转动测量灵敏度及其影响因素进行了仿真.     

提高激光抽运铯原子磁力仪灵敏度的研究

本文报道了一种基于激光抽运射频共振的铯原子磁力仪. 通过圆偏振光将铯原子抽运到暗态, 实现偏极化. 外磁场存在时, 原子磁矩将以拉莫尔频率绕外磁场进动. 在共振射频磁场的作用下, 原子被去极化而重新吸收光子. 通过探测出射光光谱可以测得拉莫尔频率进而得到外磁场的信息. 本文通过运用自制的894 nm 外腔半导体激光器, 建立了激光稳频装置和低噪声磁场测量环境, 实现了一种基于铯原子激光抽运射频共振的磁力仪. 通过磁力仪参数优化以及闭环测量, 磁力仪测量的外磁场达到了19 fT/Hz^1/2的极限灵敏度和1.8 pT/Hz^1/2的本征灵敏度, 空间分辨率小于2 cm. 关键词： 光抽运 塞曼效应 光探测磁共振 磁力仪     

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.