《基於量子邏輯技術的鋁離子光頻標研究》是依託華中科技大學，由陸澤晃擔任項目負責人的重大研究計畫。
基本介紹
- 中文名：基於量子邏輯技術的鋁離子光頻標研究
- 項目類別：重大研究計畫
- 項目負責人：陸澤晃
- 依託單位：華中科技大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
由於黑體輻射影響較小等優點，基於量子邏輯技術的鋁離子光頻標是目前文獻報導的系統不確定度最小的光頻標，達到8.6E-18，並且仍然有提高空間，是下一代“秒”定義的有力競爭者。在本項目中，我們選擇鎂離子作為邏輯離子，鋁離子為光譜離子，研究實現鋁離子光頻標的關鍵科學問題，如邏輯離子對光頻標指標的影響、離子邏輯運行中是否需要將邏輯離子冷卻到振動基態的問題、提高超穩鐘雷射指標來減小Dick效應的影響，同時降低鋁離子量子投影噪聲極限的問題等。計畫搭建新的離子阱系統，通過對鋁離子光頻標的離子囚禁冷卻、超穩雷射、以及光頻標指標測量和比對三個關鍵組成部分的研究，最終實現基於量子邏輯技術的鋁離子光頻標，爭取指標達到穩定度10^（-15）/sqrt（tau）量級，系統相對不確定度10^（-18）量級，並提出進一步提高鋁離子光頻標指標的方案，為提升我國光頻標總體研究水平貢獻一份力量。
結題摘要
鋁離子的1S0-3P0鐘躍遷線是一條優秀的光頻標鐘躍遷線，我們搭建了基於量子邏輯的鋁離子光頻標實驗系統，在此基礎上研究了一系列科學問題。 在我們的實驗系統中，鎂25離子被選為邏輯離子。在進行量子邏輯之前必須先將它進行拉曼邊帶冷卻至振動基態。我們首先在理論上對各種冷卻策略進行了分析比較，最終總結了合適的冷卻策略使得能有效的冷卻到振動基態。利用該策略對單個鎂25離子進行了拉曼邊帶冷卻，冷卻後的基態布居數達到94%。 利用鎂25離子基態超精細能級差對離子感受磁場進行了測量。實驗中利用微波共振的方法精確測量了鎂25離子基態|3,0＞→|2,0＞的能級差，利用該能級差的測量今後可以對光頻標中鋁離子感受到的交變磁場進行精確評估。我們對於|3,0＞→|2,0＞的能級差的測量結果的精度達到4.2 Hz，比美國NIST發表的實驗結果精度提高了一個數量級。 通過研究和實驗比較，我們最終決定利用雷射燒蝕法裝載鎂25離子和鋁27離子，該方法與原子爐法比較有效地提高了裝載效率和離子囚禁壽命。 為了實現高穩定度的鐘雷射，我們分析了多項影響鐘雷射指標的因素，包括溫度、鎖定噪聲、剩餘幅度調製等。為了降低溫度對鐘雷射的影響，需要對真空室的熱時間常數進行合理的設計。我們利用有限元分析方法對整套系統進行了建模計算，並結合零膨點的測量和光梳頻率測量的方法，精確測量了系統的時間常數，兩者吻合很好，為確定時間常數的真空系統設計提出了明確的解決方案。為了研究鎖定環路中電子噪聲貢獻的影響極限，利用兩套達到熱噪聲極限鎖定的超穩雷射，對電子噪聲的極限理論分析進行了實驗驗證，兩者吻合很好，為超穩雷射的鎖定進入E（-17）量級給出明確的指導。我們還在國際上首次提出了一種利用負阻抗匹配腔實現剩餘幅度調製的方案。利用上述研究成果，成功實現基於30cm超穩腔的亞赫茲窄線寬雷射系統，頻率穩定度在3-6秒內達到4E（-16）。 以上這些研究成果不僅可以為今後離子光頻標的發展起到重要的支撐作用，而且對量子信息與模擬、精密光譜測量等領域的實驗技術有促進作用。
