基于量子逻辑技术的铝离子光频标研究

Aluminum ion optical clock based on quantum logic technique has the smallest blackbody radiation shift among all optical clock candidates. As a consequence, aluminum ion optical clock has the smallest reported systematic uncertainties of 8.6E-18, with still more rooms for further improvement. It is a strong candidate for next generation SI second definition. In this project, we will build aluminum ion optical clocks based on quantum logic technique, using magnesium ion as the logic ion, and aluminum ion as the spectrum ion, investigating key scientific issues of quantum logic aluminum optical clocks, including but not limited to, the influence of logic ions on the performance of the ion clocks? Whether the logic ions need to be cooled to the vibrational ground state in order to perform quantum logic? How to improve the clock laser stability to reduce the influence of Dick effect while at the same time lowering the quantum projection noise limit? By building a new ion trap system, we will focus on three key components of aluminum ion optical clocks, namely ion cooling and trapping, development of ultra-stable clock lasers, and evaluation of aluminum optical clocks performance, and eventually achieve a functional quantum logic aluminum ion optical frequency standard. The goal of this project is to reach a clock stability of 10^(-15)/sqrt(tau) level, clock systematic uncertainties of 10^(-18) level. It is hoped that through this project, a new proposal can be given to further improve the stability and systematic uncertainties of the aluminum optical clocks.

由于黑体辐射影响较小等优点，基于量子逻辑技术的铝离子光频标是目前文献报道的系统不确定度最小的光频标，达到8.6E-18，并且仍然有提高空间，是下一代“秒”定义的有力竞争者。在本项目中，我们选择镁离子作为逻辑离子，铝离子为光谱离子，研究实现铝离子光频标的关键科学问题，如逻辑离子对光频标指标的影响、离子逻辑运行中是否需要将逻辑离子冷却到振动基态的问题、提高超稳钟激光指标来减小Dick效应的影响，同时降低铝离子量子投影噪声极限的问题等。计划搭建新的离子阱系统，通过对铝离子光频标的离子囚禁冷却、超稳激光、以及光频标指标测量和比对三个关键组成部分的研究，最终实现基于量子逻辑技术的铝离子光频标，争取指标达到稳定度10^(-15)/sqrt(tau)量级，系统相对不确定度10^(-18)量级，并提出进一步提高铝离子光频标指标的方案，为提升我国光频标总体研究水平贡献一份力量。

铝离子的1S0-3P0钟跃迁线是一条优秀的光频标钟跃迁线，我们搭建了基于量子逻辑的铝离子光频标实验系统，在此基础上研究了一系列科学问题。.在我们的实验系统中，镁25离子被选为逻辑离子。在进行量子逻辑之前必须先将它进行拉曼边带冷却至振动基态。我们首先在理论上对各种冷却策略进行了分析比较，最终总结了合适的冷却策略使得能有效的冷却到振动基态。利用该策略对单个镁25离子进行了拉曼边带冷却，冷却后的基态布居数达到94%。.利用镁25离子基态超精细能级差对离子感受磁场进行了测量。实验中利用微波共振的方法精确测量了镁25离子基态|3,0>→|2,0>的能级差，利用该能级差的测量今后可以对光频标中铝离子感受到的交变磁场进行精确评估。我们对于|3,0>→|2,0>的能级差的测量结果的精度达到4.2 Hz，比美国NIST发表的实验结果精度提高了一个数量级。.通过研究和实验比较，我们最终决定利用激光烧蚀法装载镁25离子和铝27离子，该方法与原子炉法比较有效地提高了装载效率和离子囚禁寿命。.为了实现高稳定度的钟激光，我们分析了多项影响钟激光指标的因素，包括温度、锁定噪声、剩余幅度调制等。为了降低温度对钟激光的影响，需要对真空室的热时间常数进行合理的设计。我们利用有限元分析方法对整套系统进行了建模计算，并结合零膨点的测量和光梳频率测量的方法，精确测量了系统的时间常数，两者吻合很好，为确定时间常数的真空系统设计提出了明确的解决方案。为了研究锁定环路中电子噪声贡献的影响极限，利用两套达到热噪声极限锁定的超稳激光，对电子噪声的极限理论分析进行了实验验证，两者吻合很好，为超稳激光的锁定进入E(-17)量级给出明确的指导。我们还在国际上首次提出了一种利用负阻抗匹配腔实现剩余幅度调制的方案。利用上述研究成果，成功实现基于30cm超稳腔的亚赫兹窄线宽激光系统，频率稳定度在3-6秒内达到4E(-16)。.以上这些研究成果不仅可以为今后离子光频标的发展起到重要的支撑作用，而且对量子信息与模拟、精密光谱测量等领域的实验技术有促进作用。