Ultimative Grenzen für die Genauigkeit der Frequenzmessung von Atomuhren: Rabi-, Ramsey- und kohärente Populationsfalle-Techniken

Wir untersuchen die ultimativen quantenmechanischen Grenzen der erreichbaren Unsicherheit bei der Schätzung der Übergangsfrequenz zwischen zwei Atomniveaus. Wir konzentrieren uns auf Rabi-, Ramsey- und kohärente Populationsfalle-Techniken (CPT), die in Experimenten weit verbreitet sind. Wir beweisen, dass in den Rabi- und Ramsey-Schemata die Messung der Atom-Population es ermöglicht, die minimale Unsicherheit zu erreichen. Bei dem CPT-Setup führt eine Messung, die die Kohärenzen zwischen den Ebenen einbezieht, jedoch zu einer weiteren Verbesserung der Schätzung. Als paradigmenhaftes Beispiel für mögliche Störungen wird der Effekt von Fluktuationen in der Kavitätenkopplung in den Rabi- und Ramsey-Szenarien betrachtet. Als Qualitätsmaß beurteilen wir die Fisher-Information der Populationsmessung und vergleichen ihren Wert mit dem maximalen Wert, der durch die quantenmechanische Fisher-Information gegeben ist, die durch Optimierung über alle möglichen Messungen erreicht wird, die durch die Quantenmechanik erlaubt sind.