相較微波頻段的原子鐘，光頻原子鐘具有更高的精度和準(zhǔn)確度。目前，對(duì)光鐘的研究集中在單個(gè)囚禁離子或者中性堿土原子系綜體系。前者可通過長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量得到非常高的精度，而后者可通過較大的原子數(shù)目提高測(cè)量的信噪比。除了量子度量領(lǐng)域外，原子光鐘系統(tǒng)也可用于量子計(jì)算、量子模擬和多體自旋物理的研究。原子鐘可通過被動(dòng)和主動(dòng)兩種機(jī)制進(jìn)行頻率測(cè)量。被動(dòng)機(jī)制通常利用激光對(duì)原子進(jìn)行激發(fā)然后探測(cè)激發(fā)原子的熒光，通過調(diào)節(jié)激光頻率使其與原子能級(jí)躍遷共振來實(shí)現(xiàn)對(duì)原子鐘頻率測(cè)量。主動(dòng)機(jī)制直接將原子的主動(dòng)輻射信號(hào)與參考激光進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而推測(cè)出原子鐘的頻率。

 

在微波頻段，氫微波激射器實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)的頻率測(cè)量。在可見光波段，2018年M. Norcia人等首次利用光晶格原子鐘系統(tǒng)的超輻射脈沖實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)頻率測(cè)量[Phys.Rev. X 8, 021036 (2018)]（圖a）。為了對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)涉及的物理有深入的了解并找出優(yōu)化主動(dòng)頻率測(cè)量精度的方法，我們將腔量子電動(dòng)力學(xué)理論和量子測(cè)量理論結(jié)合提出了對(duì)應(yīng)的隨機(jī)量子主方程，首次利用二階平均場(chǎng)方法對(duì)該類方程進(jìn)行了求解，并對(duì)實(shí)驗(yàn)體系進(jìn)行了模擬和預(yù)測(cè)。我們的理論研究揭示了具有多躍遷頻率的原子系綜復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過程，模擬出與實(shí)驗(yàn)相符的超輻射差拍、功率密度譜（圖b）以及頻率測(cè)量精度（圖c）。此外，我們預(yù)測(cè)通過延長(zhǎng)具有類似強(qiáng)度的超輻射脈沖以及減小單次頻率測(cè)量所需時(shí)間可進(jìn)一步提高短期的頻率測(cè)量精度，使其與當(dāng)前實(shí)驗(yàn)報(bào)道中最好的頻率測(cè)量精度相比擬。我們提出的理論不僅可用于研究基于鍶88、鈣等其它堿土原子超輻射的頻率測(cè)量，也可用于研究基于穩(wěn)態(tài)超輻射以及超輻射拉曼散射的頻率測(cè)量。此外，它也可用于探討復(fù)雜物理體系中的量子測(cè)量效應(yīng)，例如測(cè)量引起的糾纏和自旋壓縮。

 

該工作得到了國家自然科學(xué)基金、丹麥國家研究基金等項(xiàng)目的資助。全文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.013604

來源：鄭州大學(xué)物理學(xué)院