北京大學(xué)電子學(xué)院陳景標(biāo)團(tuán)隊(duì)在鈣束光鐘關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，電子學(xué)院陳景標(biāo)教授團(tuán)隊(duì)在鈣束光鐘關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。針對(duì)鈣原子束光鐘穩(wěn)定度受限于量子投影噪聲極限這一瓶頸問題，團(tuán)隊(duì)提出納秒拉姆塞光譜(Nanosecond Ramsey Spectroscopy)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)原子束中全部橫向速度原子的高效利用，使系統(tǒng)的量子投影噪聲極限頻率穩(wěn)定度達(dá)到媲美國(guó)際最好的冷原子光晶格鐘水平。這一成果不僅為突破傳統(tǒng)熱原子束光鐘原子利用率低的長(zhǎng)期瓶頸提供了原創(chuàng)性解決方案，也為構(gòu)建新一代高精度守時(shí)飛輪光鐘奠定了核心技術(shù)基礎(chǔ)。相關(guān)研究成果以 “Nanosecond Ramsey spectroscopy for Ca beam optical clocks”為題，發(fā)表在《自然》(Nature) 旗下的國(guó)際期刊《npj量子信息》(npj Quantum Information)上。
 

　　在全球時(shí)頻計(jì)量體系加速向光頻時(shí)代演進(jìn)、國(guó)際計(jì)量委員會(huì)(CIPM)推動(dòng)時(shí)間的基本單位“秒”基于光學(xué)躍遷重新定義的背景下，光鐘技術(shù)已成為國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的前沿焦點(diǎn)。面向這一趨勢(shì)，鈣原子束光鐘因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、連續(xù)運(yùn)行能力強(qiáng)，可在緊湊可靠的系統(tǒng)架構(gòu)下提供更高穩(wěn)定度，被視為最具工程化潛力守時(shí)飛輪光鐘的重要候選。鈣原子束光鐘的發(fā)展將為下一代全光時(shí)頻體系構(gòu)建提供關(guān)鍵支撐。傳統(tǒng)鈣原子束光鐘拉姆塞光譜雖具備顯著的壓窄躍遷線寬優(yōu)勢(shì)，但對(duì)原子速度具有嚴(yán)格選擇性，使得絕大多數(shù)具有橫向速度的原子無法參與干涉過程。在常規(guī)鈣原子束光鐘系統(tǒng)中，能夠參與拉姆塞干涉過程的有效原子比例不足千分之一，原子利用率極低，系統(tǒng)短期穩(wěn)定度因此受限于量子投影噪聲(QPN)極限，是制約進(jìn)一步提升性能的核心瓶頸。
 

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖(上)和脈沖時(shí)序圖(下)
 

　　針對(duì)鈣原子束光鐘中原子利用率長(zhǎng)期偏低的技術(shù)瓶頸，陳景標(biāo)團(tuán)隊(duì)提出納秒拉姆塞光譜技術(shù)。該技術(shù)通過將光–原子相互作用時(shí)間壓縮至納秒量級(jí)并在時(shí)間域內(nèi)精確控制光與原子相互作用的時(shí)間窗口，使原子渡越時(shí)間與橫向多普勒速度分布實(shí)現(xiàn)精確匹配，從而使所有橫向速度的原子均能參與拉姆塞干涉過程，實(shí)現(xiàn)對(duì)原子束中橫向速度的100%覆蓋。理論研究表明，該技術(shù)可使光譜幅度提升超過2300倍，使系統(tǒng)的量子投影噪聲極限頻率穩(wěn)定度提升至1.2×10?¹?√τ，媲美冷原子光晶格鐘。該技術(shù)無需引入激光冷卻系統(tǒng)，不增加系統(tǒng)復(fù)雜度，適用于連續(xù)運(yùn)行和工程化集成，為構(gòu)建高穩(wěn)定度的鈣原子束光鐘開辟了關(guān)鍵技術(shù)路徑，并有望在高精度導(dǎo)航、深空測(cè)量、光學(xué)時(shí)頻網(wǎng)絡(luò)及國(guó)家時(shí)間基準(zhǔn)構(gòu)建中發(fā)揮重要作用，為下一代高精度時(shí)頻體系乃至?xí)r間基本單位“秒”的未來重新定義提供堅(jiān)實(shí)支撐。
 

　　納秒Ramsey光譜方案的模擬仿真結(jié)果(上)和理論量子投影噪聲極限頻率穩(wěn)定度(下)

 

　　該研究在陳景標(biāo)和電子學(xué)院潘多副研究員的指導(dǎo)下完成。論文第一作者為電子學(xué)院博士生陳京明，共同研究人員還包括電子學(xué)院工程師劉天宇、博士生苗杰、博士后葛哲屹。合作研究者包括北京無線電計(jì)量測(cè)試研究所高級(jí)工程師商浩森、蘇亞北，研究員薛瀟博。研究工作得到了北京市科技新星計(jì)劃、“量子科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新”重大項(xiàng)目以及溫州重大科技創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目的資助與支持。