論文の概要: A quantum network of entangled optical atomic clocks

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2111.10336v1
• Date: Fri, 19 Nov 2021 17:34:48 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-03-07 10:02:55.527572
• Title: A quantum network of entangled optical atomic clocks
• Title（参考訳）: 絡み合った光原子時計の量子ネットワーク
• Authors: B. C. Nichol, R. Srinivas, D. P. Nadlinger, P. Drmota, D. Main, G. Araneda, C. J. Ballance, and D. M. Lucas
• Abstract要約: 2つの80$Sr$+$イオンをマクロ距離(2m)で分離して、絡み合った光時計の最初の量子ネットワークを実証する。 エンタングルメントはハイゼンベルク極限の予測値である$sqrt2$に近い係数で測定の不確実性を減少させる。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
• Abstract: Optical atomic clocks are our most precise tools to measure time and frequency. They enable precision frequency comparisons between atoms in separate locations to probe the space-time variation of fundamental constants, the properties of dark matter, and for geodesy. Measurements on independent systems are limited by the standard quantum limit (SQL); measurements on entangled systems, in contrast, can surpass the SQL to reach the ultimate precision allowed by quantum theory - the so-called Heisenberg limit. While local entangling operations have been used to demonstrate this enhancement at microscopic distances, frequency comparisons between remote atomic clocks require rapid high-fidelity entanglement between separate systems that have no intrinsic interactions. We demonstrate the first quantum network of entangled optical clocks using two $^{88}$Sr$^+$ ions separated by a macroscopic distance (2 m), that are entangled using a photonic link. We characterise the entanglement enhancement for frequency comparisons between the ions. We find that entanglement reduces the measurement uncertainty by a factor close to $\sqrt{2}$, as predicted for the Heisenberg limit, thus halving the number of measurements required to reach a given precision. Practically, today's optical clocks are typically limited by laser dephasing; in this regime, we find that using entangled clocks confers an even greater benefit, yielding a factor 4 reduction in the number of measurements compared to conventional correlation spectroscopy techniques. As a proof of principle, we demonstrate this enhancement for measuring a frequency shift applied to one of the clocks. Our results show that quantum networks have now attained sufficient maturity for enhanced metrology. This two-node network could be extended to additional nodes, to other species of trapped particles, or to larger entangled systems via local operations.
• Abstract（参考訳）: 光原子時計は、時間と周波数を測定する最も正確なツールです。 これらは、基本定数の時空変動、ダークマターの性質、測地性を調べるために、別々の位置にある原子間の精密周波数比較を可能にする。 独立系の測定は、標準量子極限(SQL)によって制限されるが、対照的に、絡み合った系の測定は、量子理論によって許容される究極の精度(いわゆるハイゼンベルク極限)に達するためにSQLを超えることができる。 局所的絡み合い操作は微視的な距離でこの拡張を示すために用いられてきたが、遠隔原子時計間の周波数比較では、内在的な相互作用を持たない別々のシステム間の高速高忠実な絡み合いが必要となる。 我々は、光子リンクを用いて絡み合うマクロ距離(2m)で分離された2つの$^{88}$sr$^+$イオンを用いて、絡み合う光時計の最初の量子ネットワークを示す。 イオン間の周波数比較における絡み合いエンハンスメントを特徴付ける。 エンタングルメントは、ハイゼンベルク極限で予測されるような$\sqrt{2}$に近い係数で測定の不確かさを減少させ、与えられた精度に達するのに必要な測定回数を半減させる。 この体制では、絡み合ったクロックを用いることでさらに大きな利益が得られ、従来の相関分光法と比較して測定回数が4倍減少することがわかった。 原理の証明として、クロックの1つに適用される周波数シフトを測定するためのこの拡張を実証する。 以上の結果から,量子ネットワークの成熟度が向上したことが明らかとなった。 この2ノードネットワークは、追加のノード、閉じ込められた粒子の他の種、またはローカル操作を介してより大きな絡み合ったシステムまで拡張することができる。

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