级联积分球微波腔系统的量子噪声极限研究

We propose a novel experiment scheme to reach the quantum projection noise limit in an integrating sphere cold atom clock. The two cascading integrating sphere microwave cavities would be used in this scheme. The coherent time of cold atoms could be increased by sub-Dopler cooling and shaping the cold atom cloud in the integrating sphere with the cooling laser. Thus the Ramsey fringes whose linewidth is less than 5 Hz could be obtained, which is about five times narrower than that in a traditional single cavity system. On this basis, we will investigate the quantum nondemolition measurement in this cascading microwave cavity system to expore the possible schemes beyond the quantum noise limit.

本项目提出一种新的实验方案，实现达到量子噪声极限的积分球冷原子钟系统。该方案采用两个级联的积分球微波腔，在地面重力环境下，通过控制积分球微波腔内冷原子团温度和密度分布，增加冷原子相干时间，其拉姆齐条纹线宽相比传统积分球微波腔窄约半个数量级，达到小于5Hz的水平。在此基础上，研究量子非破坏测量在级联积分球微波腔系统中应用，并探索超越量子噪声极限的可行性实验方案。

积分球冷原子钟是一种新型的小型原子钟，具有完全自主知识产权，未来可以应用地面守时系统和北斗导航系统。在本项目资助下，我们理论分析了各种噪声对积分球冷原子钟短期稳定度的贡献，发现Dick效应、激光器频率噪声、电子学噪声是限制积分球冷原子钟达到量子噪声极限的主要因素；开展了基于双微波腔系统的研究，研究了近零死时间微波探询方法，Ramsey条纹线宽达到了7Hz，1000s稳定度达到了7.42×10-15，优于单腔系统稳定度约3倍；采用调制转移光谱稳频的方法压窄了激光器线宽，将激光器频率噪声的贡献降低至5.0×10-14τ^(-1/2)；优化了系统参数，降低了量子噪声极限，达到1.0×10-13τ^(-1/2)；同时，我们探索了超越量子噪声极限的可行性方案，后期我们将采用QND方法实现自旋压缩，进一步提高积分球冷原子钟的稳定度至量子噪声极限以下。