Atomuhren basierend auf Übergängen im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums, sogenannte optische Atomuhren, gehören zu den aktuell genausten Messapparaten der Physik. Hierbei wird ein Laser als extrem hochfrequenter Oszillator verwendet, dessen Schwingungen die Uhr zählt. Um eine möglichst hohe Stabilität über lange Zeiten zu erreichen wird im Betrieb einer solchen Uhr die Frequenz des Lasers gegen eine atomare Referenzfrequenz geprüft und bei Abweichungen korrigiert. Die erreichbare Langzeitstabilität ergibt sich in der Feedback-Schleife durch einen Kompromiss aus dem Rauschen des Lasers und quantenmechanischem Rauschen der Messungen auf den Atomen.
Marius Schulte hat nun mit einem Team untersucht, in welchen Fällen spin-gequetschte Zustände, eine spezielle Klasse von verschränkten Zuständen, die Stabilität verbessern können.
Dabei wurde das Standard-Setup optischer Uhren mit einem einzelnen Ensemble an Atomen untersucht und auch typische Einschränkungen wie zusätzliche Totzeit berücksichtigt, in denen die Atome präpariert werden und die Laserfrequenz somit nicht mit der Referenz verglichen werden kann. Die Ergebnisse des Modells zeigen, dass optische Atomuhren mit kleinen Ensembles von weniger als etwa 1.000 Atomen bereits jetzt durch gequetschte Zustände verbessert werden können. Mit neuen Verbesserungen in der Laserstabilität wird auch die Verwendung gequetschter Zustände in Atomuhren mit größeren Ensembles sinnvoll, wie sie zum Beispiel in optischen Gitteruhren möglich sind.
Die Resultate der Arbeit sind wichtig, um die Anwendung verschränkter Zustände in der Metrologie unter realistischen Annahmen zu verstehen. Die identifizierten Perspektiven haben direkten Einfluss darauf, in welchen Atomuhren die Verwendung gequetschter Zustände bereits jetzt verfolgt werden sollte. Ebenso motivieren die Herausforderungen, neue Wege zu finden, wie optische Atomuhren auch durch die Verwendung verschränkter Zustände verbessert werden können.
Ihre Ergebnisse haben die Autoren jetzt in Nature Communications publiziert: Prospects and challenges for squeezing-enhanced optical atomic clocks
