【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，電子學院陳景標教授團隊在鈣束光鐘關鍵技術領域取得重要進展。針對鈣原子束光鐘穩(wěn)定度受限于量子投影噪聲極限這一瓶頸問題，團隊提出納秒拉姆塞光譜(Nanosecond Ramsey Spectroscopy)技術，實現(xiàn)原子束中全部橫向速度原子的高效利用，使系統(tǒng)的量子投影噪聲極限頻率穩(wěn)定度達到媲美國際最好的冷原子光晶格鐘水平。這一成果不僅為突破傳統(tǒng)熱原子束光鐘原子利用率低的長期瓶頸提供了原創(chuàng)性解決方案，也為構建新一代高精度守時飛輪光鐘奠定了核心技術基礎。相關研究成果以 “Nanosecond Ramsey spectroscopy for Ca beam optical clocks”為題，發(fā)表在《自然》(Nature) 旗下的國際期刊《npj量子信息》(npj Quantum Information)上。
 

　　在全球時頻計量體系加速向光頻時代演進、國際計量委員會(CIPM)推動時間的基本單位“秒”基于光學躍遷重新定義的背景下，光鐘技術已成為國際競爭的前沿焦點。面向這一趨勢，鈣原子束光鐘因結構簡潔、連續(xù)運行能力強，可在緊湊可靠的系統(tǒng)架構下提供更高穩(wěn)定度，被視為最具工程化潛力守時飛輪光鐘的重要候選。鈣原子束光鐘的發(fā)展將為下一代全光時頻體系構建提供關鍵支撐。傳統(tǒng)鈣原子束光鐘拉姆塞光譜雖具備顯著的壓窄躍遷線寬優(yōu)勢，但對原子速度具有嚴格選擇性，使得絕大多數(shù)具有橫向速度的原子無法參與干涉過程。在常規(guī)鈣原子束光鐘系統(tǒng)中，能夠參與拉姆塞干涉過程的有效原子比例不足千分之一，原子利用率極低，系統(tǒng)短期穩(wěn)定度因此受限于量子投影噪聲(QPN)極限，是制約進一步提升性能的核心瓶頸。
 

實驗系統(tǒng)示意圖(上)和脈沖時序圖(下)
 

　　針對鈣原子束光鐘中原子利用率長期偏低的技術瓶頸，陳景標團隊提出納秒拉姆塞光譜技術。該技術通過將光–原子相互作用時間壓縮至納秒量級并在時間域內(nèi)精確控制光與原子相互作用的時間窗口，使原子渡越時間與橫向多普勒速度分布實現(xiàn)精確匹配，從而使所有橫向速度的原子均能參與拉姆塞干涉過程，實現(xiàn)對原子束中橫向速度的100%覆蓋。理論研究表明，該技術可使光譜幅度提升超過2300倍，使系統(tǒng)的量子投影噪聲極限頻率穩(wěn)定度提升至1.2×10?¹?√τ，媲美冷原子光晶格鐘。該技術無需引入激光冷卻系統(tǒng)，不增加系統(tǒng)復雜度，適用于連續(xù)運行和工程化集成，為構建高穩(wěn)定度的鈣原子束光鐘開辟了關鍵技術路徑，并有望在高精度導航、深空測量、光學時頻網(wǎng)絡及國家時間基準構建中發(fā)揮重要作用，為下一代高精度時頻體系乃至時間基本單位“秒”的未來重新定義提供堅實支撐。
 

　　納秒Ramsey光譜方案的模擬仿真結果(上)和理論量子投影噪聲極限頻率穩(wěn)定度(下)

 

　　該研究在陳景標和電子學院潘多副研究員的指導下完成。論文第一作者為電子學院博士生陳京明，共同研究人員還包括電子學院工程師劉天宇、博士生苗杰、博士后葛哲屹。合作研究者包括北京無線電計量測試研究所高級工程師商浩森、蘇亞北，研究員薛瀟博。研究工作得到了北京市科技新星計劃、“量子科學與技術創(chuàng)新”重大項目以及溫州重大科技創(chuàng)新重點項目的資助與支持。