相較微波頻段的原子鐘，光頻原子鐘具有更高的精度和準確度。目前，對光鐘的研究集中在單個囚禁離子或者中性堿土原子系綜體系。前者可通過長時間的測量得到非常高的精度，而后者可通過較大的原子數目提高測量的信噪比。除了量子度量領域外，原子光鐘系統也可用于量子計算、量子模擬和多體自旋物理的研究。原子鐘可通過被動和主動兩種機制進行頻率測量。被動機制通常利用激光對原子進行激發然后探測激發原子的熒光，通過調節激光頻率使其與原子能級躍遷共振來實現對原子鐘頻率測量。主動機制直接將原子的主動輻射信號與參考激光進行對比，進而推測出原子鐘的頻率。

 

在微波頻段，氫微波激射器實現了主動的頻率測量。在可見光波段，2018年M. Norcia人等首次利用光晶格原子鐘系統的超輻射脈沖實現了主動頻率測量[Phys.Rev. X 8, 021036 (2018)]（圖a）。為了對這個實驗涉及的物理有深入的了解并找出優化主動頻率測量精度的方法，我們將腔量子電動力學理論和量子測量理論結合提出了對應的隨機量子主方程，首次利用二階平均場方法對該類方程進行了求解，并對實驗體系進行了模擬和預測。我們的理論研究揭示了具有多躍遷頻率的原子系綜復雜的動力學過程，模擬出與實驗相符的超輻射差拍、功率密度譜（圖b）以及頻率測量精度（圖c）。此外，我們預測通過延長具有類似強度的超輻射脈沖以及減小單次頻率測量所需時間可進一步提高短期的頻率測量精度，使其與當前實驗報道中最好的頻率測量精度相比擬。我們提出的理論不僅可用于研究基于鍶88、鈣等其它堿土原子超輻射的頻率測量，也可用于研究基于穩態超輻射以及超輻射拉曼散射的頻率測量。此外，它也可用于探討復雜物理體系中的量子測量效應，例如測量引起的糾纏和自旋壓縮。

 

該工作得到了國家自然科學基金、丹麥國家研究基金等項目的資助。全文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.013604

來源：鄭州大學物理學院