新型光钟仪器提升精密测量精度!

【研究背景】

量子系统是现代物理学中的重要研究对象，因其广泛应用于传感、测量等领域，涵盖了从纳米级成像到重力测量以及精密时间计量等诸多方面。与传统的测量技术相比，基于量子系统的设备具有更高的精度和灵敏度，尤其是在纳米尺度传感、原子干涉仪和光学原子钟等应用中表现突出。然而，这些量子测量设备也面临量子投影噪声（QPN）带来的不确定性问题，导致测量精度受限于标准量子极限（SQL）。因此，如何突破SQL，提高测量精度，成为当前量子增强计量学的重大挑战。

为此，美国 科罗拉多大学博尔德分校/美国国家标准技术研究所Alec Cao、Adam M. Kaufman等携手在量子计量研究中取得了新进展。该团队结合了可编程原子阵列与光学原子钟两项前沿技术，成功设计并制备了量子纠缠态（GHZ态），并在中性原子光钟系统中实现了量子增强测量。通过利用高保真的Rydberg门操作，该团队生成了多达9个原子的GHZ态，显著提高了量子测量的精度。

此外，他们在原子-激光频率比较实验中，利用GHZ态成功实现了低于SQL的不稳定性表现，为量子计量学的进一步发展奠定了基础。这一研究结果展示了量子纠缠态在精密测量中的巨大潜力，标志着在量子技术应用中迈出了重要一步。

【仪器解读】

本文通过量子纠缠和高保真度量子比特门的原理，具体来说，利用可编程原子阵列与光学原子钟的结合，首次研发了基于GHZ态的光学钟仪器。这一创新性仪器的研发不仅实现了最多九个光学钟量子比特的GHZ态的制备，还成功进行了低于SQL的原子-激光频率比较，揭示了在量子计量中纠缠态的实用性及其潜在优势。

针对量子计量中量子投影噪声（QPN）所带来的限制，本文通过多组GHZ态级联的分析，成功扩展了相位估计的动态范围。这一发现挖掘了在局部振荡器噪声主导的情况下，大规模GHZ态与长暗时间的兼容性，从而为最先进的光晶格钟提供了新的计量方案。通过这一研究，我们不仅提高了对GHZ态的理解，还为未来量子网络的构建奠定了基础。

在此基础上，本文通过高保真度的纠缠门和多量子比特门等多种表征手段，着重研究了GHZ态的生成及其在量子计量中的应用潜力。研究结果表明，通过优化Rydberg门的保真度和扩展到更大原子阵列的技术，我们能够实现更高效的量子计算和计量。这些表征手段和发现进一步加深了我们对量子态稳定性及其应用的认识，开辟了在量子计量和量子信息处理领域的新路径。

总的来说，本文的研究不仅推动了量子计量技术的发展，也为量子信息科学的未来发展提供了重要的实验基础和理论支持。这一仪器的开发标志着量子技术应用的又一次重要突破，未来有望在远程纠缠钟网络及其他量子计算应用中发挥关键作用。

实验设置和多量子比特门

参考文献Cao, A., Eckner, W.J., Lukin Yelin, T. et al. Multi-qubit gates and Schrödinger cat states in an optical clock. Nature 634, 315–320 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07913-z