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，對光鐘的研究集中在單個囚禁離子或者中性堿土原子系綜體系。前者可通過長時間的測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)也可用于量子計算、量子模擬和多體自旋物理的研究。原子鐘可通過被動和主動兩種機(jī)制進(jìn)行頻率測量。被動機(jī)制通常利用激光對原子進(jìn)行激發(fā)然后探測激發(fā)原子的熒光，通過調(diào)節(jié)激光頻率使其與原子能級躍遷共振來實現(xiàn)對原子鐘頻率測量。主動機(jī)制直接將原子的主動輻射信號與參考激光進(jìn)行對比，進(jìn)而推測出原子鐘的頻率。

 

在微波頻段，氫微波激射器實現(xiàn)了主動的頻率測量。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)的超輻射脈沖實現(xiàn)了主動頻率測量[Phys.Rev. X 8, 021036 (2018)]（圖a）。為了對這個實驗涉及的物理有深入的了解并找出優(yōu)化主動頻率測量精度的方法，我們將腔量子電動力學(xué)理論和量子測量理論結(jié)合提出了對應(yīng)的隨機(jī)量子主方程，首次利用二階平均場方法對該類方程進(jìn)行了求解，并對實驗體系進(jìn)行了模擬和預(yù)測。我們的理論研究揭示了具有多躍遷頻率的原子系綜復(fù)雜的動力學(xué)過程，模擬出與實驗相符的超輻射差拍、功率密度譜（圖b）以及頻率測量精度（圖c）。此外，我們預(yù)測通過延長具有類似強(qiáng)度的超輻射脈沖以及減小單次頻率測量所需時間可進(jìn)一步提高短期的頻率測量精度，使其與當(dāng)前實驗報道中最好的頻率測量精度相比擬。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量。此外，它也可用于探討復(fù)雜物理體系中的量子測量效應(yīng)，例如測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