Realizar compresión de giro con interacciones de Rydberg en un reloj óptico - Grupo Co., Ltd de la suspensión de Kunming

Naturaleza (2023)Cita este artículo

1 altmétrica

Detalles de métricas

Los conjuntos de átomos neutros atrapados en potenciales ópticos son una plataforma poderosa para estudiar la física cuántica, combinando el control y la detección precisos de una sola partícula con una variedad de interacciones entrelazadas sintonizables1,2,3. Por ejemplo, estas capacidades se han aprovechado para la metrología de frecuencia de última generación4,5, así como para estudios microscópicos de estados de muchas partículas entrelazadas6,7,8,9,10,11. Aquí combinamos estas aplicaciones para realizar la compresión de espín, una operación ampliamente estudiada para producir entrelazamientos metrológicamente útiles, en un reloj atómico óptico basado en una matriz programable de qubits ópticos que interactúan. En esta demostración de compresión mediada por Rydberg con un reloj óptico de átomo neutro, generamos estados que tienen casi cuatro decibeles de ganancia metrológica. Además, realizamos una comparación de frecuencia síncrona entre estados comprimidos independientes y observamos una estabilidad de frecuencia fraccionaria de 1,087(1) × 10−15 en un tiempo promedio de un segundo, que está 1,94(1) decibeles por debajo del límite cuántico estándar y alcanza una precisión fraccionaria en el nivel 10-17 durante una medición de media hora. Aprovechamos aún más el control programable que ofrecen las matrices de pinzas ópticas para aplicar cambios de fase locales para explorar la compresión del espín en mediciones que operan más allá del tiempo de coherencia relativo con el oscilador óptico local. La realización de este protocolo de compresión de espín en un reloj de matriz atómica programable permitirá una amplia gama de técnicas inspiradas en información cuántica para una estimación de fase óptima y relojes atómicos ópticos limitados por Heisenberg12,13,14,15,16.

Esta es una vista previa del contenido de la suscripción, acceda a través de su institución

Acceda a Nature y a otras 54 revistas de Nature Portfolio

Obtenga Nature+, nuestra suscripción de acceso en línea con la mejor relación calidad-precio

$29.99 / 30 días

cancelar en cualquier momento

Suscríbete a esta revista

Reciba 51 números impresos y acceso en línea

$199.00 por año

sólo $3.90 por número

Alquila o compra este artículo

Los precios varían según el tipo de artículo.

desde $ 1,95

a$39.95

Los precios pueden estar sujetos a impuestos locales que se calculan durante el pago.

Los datos experimentales presentados en este artículo están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable. Los datos originales se proporcionan con este documento.

El código utilizado para el análisis y la simulación en este trabajo está disponible del autor correspondiente previa solicitud razonable.

Schleier-Smith, MH, Leroux, ID y Vuletić, V. Estados de un conjunto de átomos de dos niveles con incertidumbre cuántica reducida. Física. Rev. Lett. 104, 073604 (2010).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Gross, C. y Bloch, I. Simulaciones cuánticas con átomos ultrafríos en redes ópticas. Ciencia 357, 995–1001 (2017).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Browaeys, A. y Lahaye, T. Física de muchos cuerpos con átomos de Rydberg controlados individualmente. Nat. Física. 16, 132-142 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Young, AW y cols. Coherencia atómica a escala de medio minuto y alta estabilidad relativa en un reloj de pinzas. Naturaleza 588, 408–413 (2020).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Madjarov, IS et al. Un reloj óptico de matriz atómica con lectura de un solo átomo. Física. Rev. X 9, 041052 (2019).

CAS Google Académico

Fukuhara, T. y col. Detección resuelta espacialmente de una onda de entrelazamiento de espín en una cadena de Bose-Hubbard. Física. Rev. Lett. 115, 035302 (2015).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Islam, R. et al. Medición de la entropía de entrelazamiento en un sistema cuántico de muchos cuerpos. Naturaleza 528, 77–83 (2015).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Kaufman, AM y cols. Termalización cuántica mediante entrelazamiento en un sistema aislado de muchos cuerpos. Ciencia 353, 794–800 (2016).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Graham, T. y otros. Entrelazamiento de múltiples qubits y algoritmos en una computadora cuántica de átomo neutro. Naturaleza 604, 457–462 (2022).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Bluvstein, D. y col. Un procesador cuántico basado en el transporte coherente de conjuntos de átomos entrelazados. Naturaleza 604, 451–456 (2022).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Zhang, W.-Y. et al. Bloques de construcción funcionales para el entrelazamiento multipartito escalable en redes ópticas. Preimpresión en https://arxiv.org/abs/2210.02936 (2022).

Tóth, G. & Apellaniz, I. Metrología cuántica desde la perspectiva de la ciencia de la información cuántica. J. Física. A 47, 424006 (2014).

Artículo ADS MathSciNet MATH Google Scholar

Kaubruegger, R. y col. Algoritmos variacionales de compresión de espín en sensores cuánticos programables. Física. Rev. Lett. 123, 260505 (2019).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Kaubruegger, R., Vasilyev, DV, Schulte, M., Hammerer, K. & Zoller, P. Optimización variacional cuántica de la interferometría de Ramsey y relojes atómicos. Física. Rev. X 11, 041045 (2021).

CAS Google Académico

Kessler, EM y cols. Relojes atómicos limitados por Heisenberg basados en qubits entrelazados. Física. Rev. Lett. 112, 190403 (2014).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Pezzè, L. & Smerzi, A. Reloj atómico ruidoso limitado por Heisenberg que utiliza un protocolo híbrido de estado comprimido y coherente. Física. Rev. Lett. 125, 210503 (2020).

Artículo ADS MathSciNet PubMed Google Scholar

Pezzè, L., Smerzi, A., Oberthaler, MK, Schmied, R. & Treutlein, P. Metrología cuántica con estados no clásicos de conjuntos atómicos. Mod. Rev. Física. 90, 035005 (2018).

Artículo ADS MathSciNet Google Scholar

Backes, KM y cols. Una búsqueda mejorada cuántica de axiones de materia oscura. Naturaleza 590, 238–242 (2021).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Tse, M. et al. Detectores LIGO avanzados mejorados cuánticamente en la era de la astronomía de ondas gravitacionales. Física. Rev. Lett. 123, 231107 (2019).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Ludlow, AD, Boyd, MM, Ye, J., Peik, E. y Schmidt, PO Relojes atómicos ópticos. Mod. Rev. Física. 87, 637–701 (2015).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Sanner, C. y col. Comparación de relojes ópticos para pruebas de simetría de Lorentz. Naturaleza 567, 204–208 (2019).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Kennedy, CJ y cols. La metrología de precisión se encuentra con la cosmología: limitaciones mejoradas sobre la materia oscura ultraligera a partir de comparaciones de frecuencia de cavidades atómicas. Física. Rev. Lett. 125, 201302 (2020).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Bothwell, T. y col. Resolviendo el corrimiento al rojo gravitacional a través de una muestra atómica a escala milimétrica. Naturaleza 602, 420–424 (2022).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Zheng, X., Dolde, J., Lim, HM y Kolkowitz, S. Una prueba de laboratorio del corrimiento al rojo gravitacional con una red de relojes en miniatura. Preimpresión en https://arxiv.org/abs/2207.07145 (2022).

Greve, GP, Luo, C., Wu, B. & Thompson, JK Interferometría de onda de materia mejorada por entrelazamiento en una cavidad de alta delicadeza. Naturaleza 610, 472–477 (2022).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Braverman, B. y col. Giro casi unitario comprimiendo 171Yb. Física. Rev. Lett. 122, 223203 (2019).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Malia, BK, Wu, Y., Martínez-Rincón, J. & Kasevich, MA Detección cuántica distribuida con estados atómicos de modo entrelazado y exprimidos por espín. Naturaleza 612, 661–665 (2022).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Pedrozo-Peñafiel, E. et al. Entrelazamiento en una transición óptica de reloj atómico. Naturaleza 588, 414–418 (2020).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Colombo, S. y col. Metrología cuántica basada en inversión del tiempo con estados entrelazados de muchos cuerpos. Nat. Física. 18, 925–930 (2022).

Artículo CAS Google Scholar

Robinson, JM y cols. Comparación directa de dos relojes ópticos con espín comprimido por debajo del límite de ruido de proyección cuántica. Preimpresión en https://arxiv.org/abs/2211.08621 (2022).

Bouchoule, I. & Mølmer, K. Expresión de átomos por espín mediante la interacción dipolar en estados de Rydberg virtualmente excitados. Física. Rev. A 65, 041803 (2002).

ADS del artículo Google Scholar

Gil, LIR, Mukherjee, R., Bridge, EM, Jones, MPA y Pohl, T. Spin apretando un reloj de celosía de Rydberg. Física. Rev. Lett. 112, 103601 (2014).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Jau, Y.-Y., Hankin, A., Keating, T., Deutsch, IH y Biedermann, G. Enredamiento de espines atómicos con un bloqueo de giro giratorio vestido con Rydberg. Nat. Física. 12, 71–74 (2016).

Artículo CAS Google Scholar

Borish, V., Marković, O., Hines, JA, Rajagopal, SV y Schleier-Smith, M. Dinámica de Ising de campo transversal en un gas atómico vestido con Rydberg. Física. Rev. Lett. 124, 063601 (2020).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Guardado-Sánchez, E. et al. Dinámica de extinción de un gas Fermi con fuertes interacciones no locales. Física. Rev. X 11, 021036 (2021).

CAS Google Académico

Zeiher, J. y col. Dinámica de giro coherente de muchos cuerpos en una cadena de Ising que interactúa de largo alcance. Física. Rev. X 7, 041063 (2017).

Google Académico

Van Damme, J., Zheng, X., Saffman, M., Vavilov, MG y Kolkowitz, S. Impactos del llenado aleatorio en la compresión del espín mediante el aderezo de Rydberg en relojes ópticos. Física. Rev. A 103, 023106 (2021).

ADS del artículo Google Scholar

Friis, N., Vitagliano, G., Malik, M. y Huber, M. Certificación de entrelazamiento de la teoría al experimento. Nat. Rev. Phys. 1, 72–87 (2019).

Artículo de Google Scholar

Wineland, DJ, Bollinger, JJ, Itano, WM, Moore, FL y Heinzen, DJ Expresión de giro y ruido cuántico reducido en espectroscopia. Física. Rev. A 46, R6797–R6800 (1992).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Zheng, X. y col. Comparaciones de relojes diferenciales con un reloj de red óptica multiplexada. Naturaleza 602, 425–430 (2022).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Martí, GE et al. Imágenes de frecuencias ópticas con precisión de 100 μHz y resolución de 1,1 μm. Física. Rev. Lett. 120, 103201 (2018).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Young, AW, Eckner, WJ, Schine, N., Childs, AM y Kaufman, AM Paseos cuánticos 2D programables con pinzas en una red del régimen de Hubbard. Ciencia 377, 885–889 (2022).

Artículo ADS MathSciNet CAS PubMed Google Scholar

Stockton, JK, Wu, X. y Kasevich, MA Estimación bayesiana de la fase del interferómetro diferencial. Física. Rev. A 76, 033613 (2007).

ADS del artículo Google Scholar

Schine, N., Young, AW, Eckner, WJ, Martin, MJ y Kaufman, AM Estados de Bell de larga duración en una serie de qubits de reloj óptico. Nat. Física. 18, 1067–1073 (2022).

Artículo CAS Google Scholar

McGrew, WF y cols. Rendimiento del reloj atómico que permite la geodesia por debajo del nivel de los centímetros. Naturaleza 564, 87–90 (2018).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Henkel, N., Nath, R. y Pohl, T. Excitaciones de rotones tridimensionales y formación de supersólidos en condensados de Bose-Einstein excitados por Rydberg. Física. Rev. Lett. 104, 195302 (2010).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Kitagawa, M. & Ueda, M. Estados de giro exprimido. Física. Rev. A 47, 5138–5143 (1993).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Young, JT, Muleady, SR, Perlin, MA, Kaufman, AM y Rey, AM Mejora de la compresión del efecto mediante interacciones de núcleo blando. Física. Rev. Res. 5, L012033 (2023).

Artículo CAS Google Scholar

Block, M. y col. Una teoría universal de la compresión del espín. Preimpresión en https://arxiv.org/abs/2301.09636 (2023).

Geier, S. y col. Ingeniería floquet hamiltoniana de un sistema de espín aislado de muchos cuerpos. Ciencia 374, 1149-1152 (2021).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Marciniak, CD y cols. Metrología óptima con sensores cuánticos programables. Naturaleza 603, 604–609 (2022).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Bowden, W., Vianello, A., Hill, IR, Schioppo, M. y Hobson, R. Mejora del factor Q de un reloj atómico óptico mediante medición cuántica sin demolición. Física. Rev. X 10, 041052 (2020).

CAS Google Académico

Bornet, G. et al. Espín escalable comprimiéndose en una matriz de átomos dipolares de Rydberg. Preimpresión en https://arxiv.org/abs/2303.08053 (2023).

Franke, J. y col. Detección cuántica mejorada en una transición óptica a través de correlaciones cuánticas colectivas emergentes. Preimpresión en https://arxiv.org/abs/2303.10688 (2023).

Norcia, MA, Young, AW y Kaufman, AM Control microscópico y detección de estroncio ultrafrío en conjuntos de pinzas ópticas. Física. Rev. X 8, 041054 (2018).

Google Académico

Kumar, A., Wu, T.-Y., Giraldo, F. y Weiss, DS Clasificación de átomos ultrafríos en una red óptica tridimensional en una realización del demonio de Maxwell. Naturaleza 561, 83–87 (2018).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Endres, M. et al. Ensamblaje átomo por átomo de matrices de átomos fríos unidimensionales y libres de defectos. Ciencia 354, 1024–1027 (2016).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Barredo, D., De Léséleuc, S., Lienhard, V., Lahaye, T. y Browaeys, A. Un ensamblador átomo por átomo de matrices atómicas bidimensionales arbitrarias sin defectos. Ciencia 354, 1021–1023 (2016).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Young, AW y cols. Un muestreador de bosones atómicos. Preimpresión en https://arxiv.org/abs/2307.06936 (2023).

Taichenachev, AV y cols. Espectroscopía inducida por campos magnéticos de transiciones ópticas prohibidas con aplicación a relojes atómicos ópticos basados en celosías. Física. Rev. Lett. 96, 083001 (2006).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Matei, DG et al. Láseres de 1,5 μm con ancho de línea inferior a 10 mHz. Física. Rev. Lett. 118, 263202 (2017).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Oelker, E. y col. Demostración de estabilidad de 4,8 × 10−17 a 1 s para dos relojes ópticos independientes. Nat. Fotón. 13, 714–719 (2019).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Carpenter, J. & Bithell, J. Intervalos de confianza Bootstrap: ¿cuándo, cuál, qué? Una guía práctica para estadísticos médicos. Estadística. Medicina. 19, 1141-1164 (2000).

3.0.CO;2-F" data-track-action="article reference" href="https://doi.org/10.1002%2F%28SICI%291097-0258%2820000515%2919%3A9%3C1141%3A%3AAID-SIM479%3E3.0.CO%3B2-F" aria-label="Article reference 63" data-doi="10.1002/(SICI)1097-0258(20000515)19:93.0.CO;2-F">Artículo CAS PubMed Google Scholar

Efron, B. y Stein, C. La estimación de la varianza en navaja. Ana. Estadística. 9, 586–596 (1981).

Artículo MathSciNet MATEMÁTICAS Google Scholar

van den Worm, M., Sawyer, BC, Bollinger, JJ y Kastner, M. Escalas de tiempo de relajación y decadencia de correlaciones en un simulador cuántico de interacción de largo alcance. Nuevo J. Phys. 15, 083007 (2013).

Artículo de Google Scholar

Descargar referencias

Reconocemos las contribuciones anteriores al experimento de MA Norcia y N. Schine y las discusiones con S. Geller, RB Hutson, WF McGrew, SR Muleady, AM Rey, N. Schine, M. Schleier-Smith, JK Thompson, JT Young y P. .Zoller. Agradecemos a S. Geller, SR Muleady, JK Thompson y P. Zoller por leer el artículo y los comentarios; y A. Aeppli, D. Kedar, K. Kim, B. Lewis, M. Miklos, YM Tso, W. Warfield, L. Yan y Z. Yao por debates y contribuciones al sistema de reloj láser. Este material se basa en el trabajo respaldado por la Oficina de Investigación del Ejército (W911NF-19-1-0149 y W911NF-19-1-0223), la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea (FA9550-19-1-0275), la Fundación Nacional de Ciencias QLCI. (OMA-2016244), Departamento de Energía de EE. UU., Oficina de Ciencias, Centros Nacionales de Investigación de Ciencias de la Información Cuántica, Acelerador de Sistemas Cuánticos y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología. También agradecemos la financiación de Lockheed Martin. WJE reconoce el apoyo de la beca NDSEG; NDO reconoce el apoyo de la Fundación Alexander von Humboldt; y AC reconoce el apoyo del Programa de becas de investigación para graduados de la NSF (número de subvención DGE2040434).

JILA, Universidad de Colorado e Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, y Departamento de Física, Universidad de Colorado, Boulder, Colorado, EE. UU.

William J. Eckner, Nelson Darkwah Oppong, Alec Cao, Aaron W. Young, William R. Milner, John M. Robinson, Jun Ye y Adam M. Kaufman

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

WJE, NDO, AC, AWY y AMK construyeron y operaron la red óptica y el aparato de pinzas. El reloj láser estabilizado con cristal de silicio fue operado por WRM, JMR y JY. Todos los autores contribuyeron al análisis de datos y al desarrollo del artículo.

Correspondencia a Adam M. Kaufman.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Nature agradece a Sebastian C. Carrasco, Michael Goerz y los demás revisores anónimos por su contribución a la revisión por pares de este trabajo. Los informes de los revisores pares están disponibles.

Nota del editor Springer Nature se mantiene neutral con respecto a reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Reimpresiones y permisos

Eckner, WJ, Darkwah Oppong, N., Cao, A. et al. Realización de compresión de giro con interacciones de Rydberg en un reloj óptico. Naturaleza (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06360-6

Descargar cita

Recibido: 14 de marzo de 2023

Aceptado: 22 de junio de 2023

Publicado: 30 de agosto de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06360-6

Cualquier persona con la que comparta el siguiente enlace podrá leer este contenido:

Lo sentimos, actualmente no hay un enlace para compartir disponible para este artículo.

Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenidos Springer Nature SharedIt

Al enviar un comentario, acepta cumplir con nuestros Términos y pautas de la comunidad. Si encuentra algo abusivo o que no cumple con nuestros términos o pautas, márquelo como inapropiado.