相较微波频段的原子钟，光频原子钟具有更高的精度和准确度。目前，对光钟的研究集中在单个囚禁离子或者中性碱土原子系综体系。前者可通过长时间的测量得到非常高的精度，而后者可通过较大的原子数目提高测量的信噪比。除了量子度量领域外，原子光钟系统也可用于量子计算、量子模拟和多体自旋物理的研究。原子钟可通过被动和主动两种机制进行频率测量。被动机制通常利用激光对原子进行激发然后探测激发原子的荧光，通过调节激光频率使其与原子能级跃迁共振来实现对原子钟频率测量。主动机制直接将原子的主动辐射信号与参考激光进行对比，进而推测出原子钟的频率。
在微波频段，氢微波激射器实现了主动的频率测量。在可见光波段，2018年M. Norcia人等首次利用光晶格原子钟系统的超辐射脉冲实现了主动频率测量[Phys.Rev. X 8, 021036 (2018)]（图a）。为了对这个实验涉及的物理有深入的了解并找出优化主动频率测量精度的方法，我们将腔量子电动力学理论和量子测量理论结合提出了对应的随机量子主方程，首次利用二阶平均场方法对该类方程进行了求解，并对实验体系进行了模拟和预测。我们的理论研究揭示了具有多跃迁频率的原子系综复杂的动力学过程，模拟出与实验相符的超辐射差拍、功率密度谱（图b）以及频率测量精度（图c）。此外，我们预测通过延长具有类似强度的超辐射脉冲以及减小单次频率测量所需时间可进一步提高短期的频率测量精度，使其与当前实验报道中最好的频率测量精度相比拟。我们提出的理论不仅可用于研究基于锶88、钙等其它碱土原子超辐射的频率测量，也可用于研究基于稳态超辐射以及超辐射拉曼散射的频率测量。此外，它也可用于探讨复杂物理体系中的量子测量效应，例如测量引起的纠缠和自旋压缩。
该工作得到了国家自然科学基金、丹麦国家研究基金等项目的资助。全文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.013604
来源：郑州大学物理学院
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