陈景标教授团队国际首创在同一个量子系统中同时实现多个光钟

在量子精密测量领域，如何高效利用量子资源是一个关键挑战。温州激光与光电子协同创新中心首席科学家陈景标教授团队开拓形成在一个量子系综上同时实现多个原子钟的系列性成果，继同一量子体系实现双波段光学-微波原子钟工作后[1]，成功展示了在同一个量子系统中同时实现多个光钟的创新方法。这一系列性进展为量子精密测量中的量子资源利用提供了新的解决方案，有望显著提高测量精度和效率。研究团队在《Photonics Research》杂志在线发表了题为“Single-atomic-ensemble dual-wavelength optical frequency standard”的研究文章，首次利用不同量子跃迁之间的四波混频过程，在单原子系综中实现了双波长光学频率标准。

此外，基于V型原子能级结构，团队还建立了理论模型，深入分析双光学跃迁调制传递光谱（DOT-MTS）双光钟方案。这一创新不仅实现了两个光钟的高稳定性能，更展示了在单一量子系统中同时实现多个光钟的可行性，为量子资源的高效利用开辟了全新领域。这一系列性工作不仅推动了原子钟领域的新发展，也为其在精密计量学、里德堡原子、波长标准、光学网络等量子信息科学与技术领域的未来应用提供了广阔前景。

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研究团队成功展示了在单一量子系综中实现多个波长标准的创新方法，通过在不同量子跃迁之间的实现调制，首次基于单一量子系综实现了双光学波长量子频率标准。在这一过程中，泵浦光束的调制频率边带与87Rb D2线（780 nm）共振，并同时传递到780 nm（与87Rb D2线共振）和795 nm（与87Rb D1线共振）探测光束上。借助调制双转移新技术，780 nm和795 nm激光在热原子系综中实现了同时稳频，频率不稳定度都达到10-14量级（根据残余误差信号估算）。此方法开辟了单量子系综多波长频率标准新方向，首次在单一原子气体池中实现了双波长激光稳频，为在同一系统中实现多个量子频率标准、增强量子相干性、量子信息资源的增效利用提供了新的思路。未来，团队将进一步探索其中的基础物理原理及其复杂的相互关系，以推动量子精密测量技术的进一步发展。

图1. 单原子系综双波长概念效果

图2.实验系统

未来，这项技术有望应用于不同的原子体系及其结构，特别是碘分子，其丰富的光谱特性为开发多波长频率标准提供了巨大的潜力，能够显著提升精密测量能力。这项技术的应用不仅限于光钟和长度计量学，还将在多波长光学频率标准的实现上开辟新的前沿。通过单一量子原子系综实现这一技术，能够显著推动激光稳定化技术的发展，并为量子计量学领域带来深远的影响。

该研究在温州激光与光电子协同创新中心首席科学家陈景标教授和北京大学潘多副研究员的指导下顺利完成，论文第一作者为博士生苗杰，其他参与研究的成员还包括博士生陈京明和杨巧会。特别感谢国家授时中心于得水研究员的支持。此外，研究工作还得到了北京市科技新星计划、量子科学与技术创新重大项目以及温州重大科技创新重点项目的资助与支持。

论文链接：

https://www.opticsjournal.net/Articles/OJ226047ef1a20613e/FullText#art-nav

DOI：10.1364/PRJ.547242

[1]Dual-frequency optical-microwave atomic clocks based on cesium atoms, Photonics Research 12 (9) , pp.1972-1980 (2024).

链接：

https://www.researching.cn/Articles/0Jf5b43f6442cf2a7b DOl:10.1364/PRJ.528942