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World File Search System原子钟
月球和火星定位、导航和授时的架构和技术投资重点
从架构上看，最初在月球上部署椭圆形冻结轨道上的中继卫星将最大限度地覆盖南极，这是 Artemis 计划的重点。我们建议这些资产和未来的地面资产建立一个自由运行的自主时间尺度（我们称之为“LTC”），并持续监测与 UTC 的差异。这比在月球上部署 UTC 本身更可取，因为后者将涉及克服处理闰秒和闭环跟踪显著时变相对论效应的不必要挑战。月球服务提供商应通过各种技术确定其轨道和时间，包括现有的 CCSDS 测距标准、DSN 跟踪、弱信号 GPS 接收和高质量原子钟。这些资产反过来将为月球用户提供 LNIS 标准的 PNT 服务。
时钟稳定性随原子数呈指数级增长
在捕获原子钟中，退相干的主要来源通常是振荡器的相位噪声。在这种情况下，我们通过组合多个原子集合来获得理论上的性能提升。例如，可以将 M 个 N 原子集合与各种探测周期组合，以将频率方差降低到标准拉姆齐时钟的 M 2 − M 倍。如果某些集合的原子相位以降低的频率演变，则可能出现类似的指数级改进。这些集合可以由具有较低频率跃迁的原子或分子构成，或由动态解耦生成。具有降低频率或探测周期的集合仅负责计数 2 π 相位包裹的整数，并且不影响时钟的系统误差。具有高斯初始状态的量子相位测量允许比拉姆齐光谱更小的集合大小。
42-237a.pdf -IPN进度报告-NASA
在建筑上，在椭圆形冰冻轨道中接力卫星的最初月球部署将最大程度地提高对月南极的覆盖范围，这是Artemis计划的重点。我们建议这些资产和未来的表面资产，以建立一个自主时间尺度（我们称为“ LTC”），与UTC不断监视的差异。这是在月球上部署UTC本身的优势，这将涉及克服不必要的挑战，以处理LEAP秒和闭环跟踪重要的时变性相对论效应。月球服务提供商应通过各种技术建立其轨道和时间，包括现有的CCSD标准，DSN跟踪，弱信号GPS接收和高质量的原子钟。这些资产反过来将为月球用户提供LNIS标准PNT服务。
带有最新光学时钟的基本物理学
摘要光原子时钟和光学时间传输的最新进展已使精确计量学的新可能性进行了基本物理和时机应用的两种测试。在这里，我们描述了一个太空任务概念，该概念将将最先进的光原子钟放在地球周围的怪异轨道上。高稳定性激光链路将将轨道航天器的相对时间，范围和速度连接到地球站。此任务的主要目标是测试重力红移，这是一种经典相对论的经典测试，其灵敏度超出了当前限制的30 000倍。其他科学目标包括其他相对论测试，对暗物质的搜索和基本常数的漂移以及建立高精度的国际时间/地理参考。
利用捕获离子实现自旋压缩
相干量子现象的开发代表着计量学领域的一个新领域，该研究旨在实现对物理现象的越来越精确的测量。量子计量学实验的原型可能是原子钟中使用的简单的拉姆齐干涉测量法，几十年来，它一直是时间和频率标准校准的基础。然而，现代量子计量学实验通常需要对几个量子自由度进行复杂的操纵才能获得单一的测量结果。例如，考虑量子逻辑光谱时钟测量，其中使用原子的量子力学运动作为总线将一个原子的内部时钟跃迁状态转移到辅助原子中可检测的跃迁 [1]。对 N 个不相关粒子集合进行测量的自然精度极限是标准量子极限，其中测量精度与 ∼ 1 / √ 成比例
博士后资助——离子捕获芯片的开发...
这项博士后研究将是实现集成氮化硅 (SiN) 光波导 (WG) 和光栅的硅基离子捕获芯片的第一步。它将针对光学频率计量应用，并有可能对多个离子进行单独寻址。实现过程和制造理念还将使其与量子信息处理 (QIP) 和单个量子位的片上光学寻址兼容。对于用于 QIP、原子钟或其他量子传感器的坚固、紧凑甚至可移动的离子阱有着强烈的需求。在此背景下，表面电极 (SE) 离子阱是一项非常有前途的技术，它能够捕获多个离子、操纵单个离子并实现可扩展的离子穿梭。这种陷阱依赖于 2D 电极架构，可轻松与标准洁净室工艺兼容。
利用囚禁离子实现自旋压缩
相干量子现象的利用代表着计量学领域的一个新领域，该领域的研究旨在实现对物理现象的越来越精确的测量。量子计量学实验的原型可能是原子钟中使用的简单的拉姆齐干涉测量法，几十年来，它一直是时间和频率标准校准的基础。然而，现代量子计量学实验通常需要对几个量子自由度进行复杂的操纵才能获得单一的测量结果。例如，考虑量子逻辑光谱时钟测量，其中使用原子的量子力学运动作为总线，将一个原子的内部时钟跃迁状态转移到辅助原子中可检测的跃迁[1]。对 N 个不相关粒子集合进行测量的自然精度极限是标准量子极限，其中测量精度与 ∼ 1 / √ 成比例
高电荷离子的量子逻辑光谱
所有物质的结构和性质都由基本相互作用和对称性决定。对于可见物质的小组成部分——原子来说尤其如此。因此，原子光谱的研究是提高我们对自然理解的重要工具。高电荷离子构成了所有原子系统的大多数，因为每个单独的元素都具有与电子一样多的电荷状态，并且它们在宇宙中无处不在。因此，它们的系统研究不仅是原子物理学的一个组成部分，而且对天体物理学、核物理学和聚变研究等许多其他领域也具有重要意义。最近，高带电离子中的光学跃迁已被提出用于粒子物理标准模型之外的未知物理的敏感测试和新型光学原子钟。然而，由于实验方法不充分，相对光谱精度仅略优于 10 −6，迄今为止阻碍了此类项目的实施。在这项工作中，我们首次展示了高电荷离子的相干激光光谱。与以前使用的光谱方法相比，精度可以提高约 8 个数量级。以高电荷40 Ar 13 +离子中的光学2 P 1 / 2 – 2 P 3 / 2精细结构跃迁为例进行了研究。将该物种的单个离子从热等离子体中分离出来，并将其与激光冷却的单电荷 9 Be + 离子一起作为双离子晶体存储在低温保罗阱的谐波势中。然后，这个耦合的量子力学系统被冷却到运动基态——这是高电荷离子所达到的最冷状态。利用量子逻辑，可以制备40 Ar 13 +离子的电子态，经过光谱分析后，转移到9 Be +逻辑离子并进行检测。此外，还测量了激发态的寿命和 g 因子——后者具有前所未有的精度，这使得解决狭义相对论、电子相互作用和量子电动力学的效应成为可能，并澄清了不同理论预测之间的差异。所展示的概念普遍适用于高电荷离子。因此，这项工作开辟了高带电离子用于各种基础物理测试的潜力，用于探索未知物理（例如第五种力、基本常数的变化和暗物质）以及用于未来的光学原子钟。
约翰·伯克博士 - 国防部研究与工程部副部长办公室（OUSD (R&E)）量子科学首席主任
约翰·伯克博士 - 2022 年 3 月，担任国防部研究与工程部副部长办公室 (OUSD (R&E)) 量子科学首席主任 (OUSD (R&E)) 量子科学首席主任。担任此职务期间，伯克博士负责领导国防部 (DoD) 的量子科学战略，量子科学是国防部最重要的关键技术领域之一。在加入 OUSD (R&E) 之前，伯克博士于 2017 年至 2022 年期间担任国防高级研究计划局 (DARPA) 微系统技术办公室 (MTO) 和国防科学办公室 (DSO) 的项目经理。在 DARPA，他管理了七个开发量子科学和技术的项目。其中一些项目推动了量子传感器的发展，包括原子干涉仪、原子钟、磁力仪和射频 (RF)“量子孔径”，并将这些传感器应用于定位、导航和授时 (PNT)、生物技术以及射频频谱的新功能。有几个项目推动了基于超导和光子平台的量子计算量子比特技术。这项工作促使国防部的几项技术向更高成熟度的开发项目转变，他因此获得 DARPA“结果至关重要”奖。此前，Burke 博士曾在空军研究实验室 (AFRL) 空间飞行器理事会担任高级研究物理学家。在那里，Burke 博士领导一个研究团队开发原子钟、光学时间传输和冷原子测量技术，以用于全球定位系统等空间应用。他为包括国际空间站的 NASA 冷原子实验室和导航技术卫星 -3 在内的太空实验做出了贡献。 Burke 博士因其贡献、多篇出版物和专利而荣获 AFRL 早期职业奖和 R-NASA 国家太空成就奖。Burke 博士拥有中央学院物理学理学学士学位和弗吉尼亚大学物理学哲学博士学位。他的论文是关于使用来自 Bose Einstein 凝聚态的引导物质波进行原子干涉测量，该论文获得了弗吉尼亚大学科学与工程奖学金优秀奖。
利用囚禁离子实现自旋压缩
相干量子现象的利用代表着计量学领域的一个新领域，该领域的研究旨在实现对物理现象的越来越精确的测量。量子计量学实验的原型可能是原子钟中使用的简单的拉姆齐干涉测量法，几十年来，它一直是时间和频率标准校准的基础。然而，现代量子计量学实验通常需要对几个量子自由度进行复杂的操纵才能获得单一的测量结果。例如，考虑量子逻辑光谱时钟测量，其中使用原子的量子力学运动作为总线，将一个原子的内部时钟跃迁状态转移到辅助原子中可检测的跃迁[1]。对 N 个不相关粒子集合进行测量的自然精度极限是标准量子极限，其中测量精度与 ∼ 1 / √ 成比例