利用相干后向散射制备原子自旋压缩态

With the development of atom interferometer and atomic optical clock based on cold atoms, breaking the phase measurement limit governed by quantum projection noise and obtaining higher stability are hot topic of the optical frequency standard. Spin squeezing is generally regarded as an effective tool to make the breakthrough. However, up to now, there are no methods based on clock interrogation of atomic optical clock to generate spin squeezing in cold atomic ensembles. According to the situation, we plan to generate spin squeezing with coherent back scattering based on cold ytterbium(Yb) fermionic 171Yb atoms. We carry on coherent back scattering measurement with 171Yb atoms trapped in optical lattice, with the help of inherent coherence along the particular path in cold atomic ensembles to create spin squeezing. Considering the fact that Yb lattice clock has the milestone frequency stability: 1.6×10-18, if spin squeezing is applied to Yb lattice clock, it will further improve the frequency stability of optical atomic clock, and greatly benefit the precision spectroscopy and quantum information processing.

随着冷原子干涉仪，冷原子光钟的发展，突破由量子投影噪声所决定的相位测量极限、获得更高频率稳定度指标的光钟成为当前光频标研究的热点问题。自旋压缩态被普遍认为是突破这一限制的有效手段，但是目前还没有基于原子光钟的钟跃迁探测制备自旋压缩态的方案。针对这一问题，我们拟利用超冷镱原子费米同位素为介质，通过相干后向散射的办法制备自旋压缩态。我们利用囚禁在离共振光晶格中的高密度冷原子进行相干后向散射测量，依托特定相干路径方向上冷原子系综内部固有的相干性制备自旋压缩。鉴于目前镱原子光钟具有最好的稳定度1.6×10-18，如果将自旋压缩应用到镱原子光钟的研究，可以进一步提高光钟的稳定度，极大推动镱原子光钟相关精密谱和量子信息处理方面的研究。

随着冷原子光钟的稳定度和不确定度的不断提高，作为一个超精密的量子传感器应用于引力波探测和暗物质检测成为可能。基于光钟的研究现状，突破由量子投影噪声所决定的相位测量极限、获得更高频率稳定度的光钟成为必须面对的问题。而制备自旋压缩态被普遍认为是突破这一极限的有效手段。针对这一问题，本项目通过四年研究工作的开展，以镱原子（Yb）光晶格中装载的171Yb同位素冷原子为介质，研究了578nm的钟激光通过相干后向散射的办法进行钟跃迁探测。实验结果显示：钟激光与光晶格光场严格重合会得到更好的信噪比和钟跃迁谱线线宽，偏离越大信噪比会变差；冷原子温度也会对测量造成影响，冷原子温度越低，信噪比越好，钟跃迁谱线线宽越接近傅立叶极限线宽。在进行环境串扰信号的优化后，光钟测量的环内稳定度有明显改善，1万秒平均时间达到1×10-17；300ms的Rabi探询模式下，获得3.5Hz的钟跃迁谱线线宽。通过该项目的实施，我们获得了钟跃迁谱线与冷原子温度、钟激光探测角度的定量关系，为进一步实现自旋压缩做了实验上的准备。从而为未来进一步提高光钟稳定度做了有价值的尝试。