連續光學鐘

連續詢問 · τ⁻¹ 穩定度

為什麼要「連續」?

目前最好的光學鐘都以脈衝循環運作:先製備冷原子,再以雷射詢問超窄的鐘躍遷、讀出結果——然後把所有原子丟棄,從頭再來。兩次詢問之間的空窗期不只浪費原子:雷射相位在無人監看時漂移,雜訊透過混疊混入量測(即 Dick 效應), 限制了即使是最頂尖機器的穩定度。

一台「從不眨眼」的鐘可以繞過這個限制。透過對光學量子位元的連續詢問,本地振盪器隨時與原子鎖相—— 有機會實現 τ⁻¹ 的穩定度尺度,而非循環式時鐘的 τ⁻¹∕² 平均。

被動路線——連續詢問。穩定的超冷鐿原子流連續通過詢問區,鐘雷射不間斷地探測 ¹S₀ → ³P₀ 躍遷。新原子源源不絕地補充,量測永不中斷。

主動路線——超輻射鐘雷射。讓原子本身成為振盪器:在壞腔(bad-cavity)區,mHz 線寬鐘躍遷上的原子可以集體發出連續超輻射光,其頻率由原子而非脆弱的參考腔決定。這種主動式光學鐘正好缺少的, 就是一個連續的冷原子源。

兩條路線最終匯聚到同一個需求——我們實驗室正在打造的連續、高通量超冷鐿原子束。

我們的 Pathfinder 裝置產生連續雷射冷卻的鐿原子束,作為運轉中時鐘的前端。同時我們也在發展製備、操控與讀出長壽命亞穩態原子的光譜工具—— 參見亞穩態躍遷的高解析度光譜——以及連續鐘詢問所需的光腔與雷射系統。

長期目標:一個永遠在線的光學頻率基準——服務精密量測、相對論性大地測量,並成為量子網路的相位相干骨幹。