精密测量包括 原子钟、重力仪、陀螺仪 。
原子钟
守时型铯钟作为现代高精度时间基准的核心载体之一，其研究对构建国家时频体系具有战略意义，不仅为北斗导航、高速通信和深空探测等前沿领域提供纳秒级时间同步保障，更是维护国家信息安全、提升科技自主可控能力的关键基石。
北京大学量电所的CAP组，是我国最早研制守时型光抽运铯束微波钟的小组之一，通过微波与原子的相互作用，利用Ramsey干涉技术，将钟频率锁定在铯原子基态超精细能级跃迁谱线上——该能级跃迁也是如今的秒定义来源。在多个国家重大项目的支持下，经过近20年的深耕探索，如今频率稳定度指标，经中国计量院鉴定，达到短期6.8E-13@1秒，长期4.8E-15@10万秒，超过美国GPS上所用铯钟（5071A优质管）5倍，在国际守时铯钟领域，已处于领先水平，成功突破超高精度原子钟"卡脖子"技术，为新一代卫星导航、深空探测与量子传感等重大工程，构建具有完全自主知识产权的时频基准体系。
近期主要工作：
双光抽运守时铯钟
目前光抽运铯钟普遍基于单光模式，即使用单束光进行原子抽运，原子利用率最多只能达到1/7，既浪费了原子利用率，又严重限制了整钟的理论极限稳定度。
最近，小组正在研究通过使用两束不同频率的激光，即双光抽运的方式，大幅提高原子利用率，进一步挖掘光抽运守时铯钟的性能潜力。目前小组所采用双光抽运模式为一束4-4线光进行抽运，另一束3-3线光利用能级之间的禁戒跃迁，实现原子向目标塞曼子能级的汇聚，通过优化两束激光的频率、偏振和光强等参数，理论上可以实现原子在钟跃迁态上的100%汇聚，原子利用率最大提高7倍，整钟稳定度极限提高2~3倍。这一技术的突破，有望实现短期稳定度媲美氢钟、长期稳定度依然保持领先优势的高精度守时铯钟。
光晶格冷原子微波钟
一种基于中性冷原子团的光晶格微波钟的新方案，创新性的将光晶格对原子动量外态的操控与微波拉姆塞干涉相结合，既有大量原子参与跃迁带来的高信噪比，又有超长自由演化时间带来的超窄谱线线宽。
在地面环境下，利用最新的电磁感应透明冷却技术，快速（10毫秒）制备冷原子团后，装载进光晶格，利用布洛赫（Bloch）光绝热地转移原子动量，操控冷原子的动量外态，抵消重力带来的自由下落，让原子在腔内中心厘米量级的空间范围内，长时间维持类似“悬浮”的效果，并能保持拉姆塞干涉所需的原子内态的相干性，实现秒量级的超长自由演化时间，拉姆塞条纹线宽能压窄到0.1Hz量级，结合大量原子参与跃迁带来的高信噪比，有望实现频率稳定度最高达到1.5E-14/√τ，长稳1E-16量级，与当前性能最好的大型喷泉钟（米量级高度）的稳定度指标相当，但是系统体积缩小一个数量级。
重力仪
重力加速度g是地球物理研究中的关键物理量，其精密测量在引力波验证、地质勘探、灾害预报及国防安全等领域至关重要。原子干涉重力仪的极限测量精度与原子在重力场中自由演化的时间息息相关，更长的自由演化时间可以带来更好的极限测量精度。在传统的自由落体或喷泉式原子干涉重力仪中，需要较大的物理系统体积以实现高精度测量，干涉区长度往往高达数米，不利于设备小型化。
为了保持重力测量高精度的同时实现系统小型化，我们将传统原子干涉技术和移动光晶格操控技术结合起来，实现了Ramsey-Bordé型87Rb原子干涉重力仪。我们利用移动光晶格的布洛赫振荡原理，给自由下落的原子向上的动量使其速度反向，多个光晶格脉冲使原子在较小空间内实现长时间演化，兼顾高精度与小型化需求。
我们在国内首先实现了基于移动光晶格的重力测量。冷原子的竖直位移约3cm，和通常的马赫-曾德尔型原子重力仪相比减小了两个量级。测量的短期灵敏度可以达到4.52×102uGal/Hz1/2，较国际同类仪器提高约一倍。实验系统的极限分辨率可以达到6.5uGal@2800s，与传统自由落体型重力仪相当。
在冷原子干涉仪的基础上，我们还进一步实现了全光阱87Rb原子的玻色-爱因斯坦凝聚，通过交叉光偶极阱蒸发冷却后，可以制备出温度约为52 nK的超冷原子，原子数约为1.6×105个，并基于BEC系统开展了一系列科学实验。
当前工作：
空间关联晶格干涉仪
原子干涉仪以前所未有的精度，为测量物理常数以及验证基础物理理论提供了一个强大的工具。传统的原子干涉测量主要关注两条干涉路径之间的相位差，并利用具有特定相干性的物质波进行实验。我们近期的工作实现了一种在重力方向上加载移动光晶格的相干物质波Ramsey-Bordé干涉仪，并探索了相干性可调的多路径上产生的干涉结果。我们通过干涉测量的方法研究了光晶格内和干涉仪两臂之间原子的空间关联，并观察到由于玻色-爱因斯坦凝聚体的长程相干性而出现的多重干涉峰。我们观察到干涉峰位置在空间上和时间上与传统的认识有一定偏移，提出了原子干涉仪在何时、何地发生干涉的新见解。我们以原子波函数的扩散和塌缩的基础进行理论模拟，得到的理论模拟吻合实验结果，为高精度超冷原子干涉测量奠定了基础。
该工作详见：https://doi.org/10.48550/arXiv.2406.16847
光晶格微波钟的Ramsey条纹研究
Ramsey干涉技术是大多微波原子钟的核心，延长干涉过程中的自由演化时间，是压窄谱线线宽，提升原子钟性能的关键。不同于目前普遍采用“以空间换时间”方案的米量级的喷泉钟，本研究提出构建重力方向的移动光晶格，利用冷原子在光晶格中布洛赫振荡的原理，实现一种压窄条纹线宽的新方案。我们在Ramsey干涉过程中的自由演化时段，通过布洛赫脉冲光给冷原子施加重力方向相反的反冲动量，让原子在一个厘米量级的空间范围里反复做自由落体运动。本研究主要是在移动光晶格重力仪的基础上，通过修改实验时序，增加自由演化时间，实现微波钟跃迁的Ramsey干涉条纹压窄，研究光晶格带来的退相干效应等问题。目前，我们用该方案获得了线宽约为3.3Hz的Ramsey条纹，日后通过增加移动光晶格脉冲数量以及引入光腔技术，有望将干涉时长进一步提升，获得线宽与喷泉钟相当的Ramsey条纹，为小型化高精度微波钟的研制奠定基础。
陀螺仪
本项目研制的超冷原子干涉陀螺仪，以现代战略武器的完全自主导航需求为背景，旨在提供更高灵敏度和更好稳定性的角速度测量设备。相较于光学陀螺仪，原子陀螺仪由于其物质波属性，具有更高的理论角速度分辨力。为了充分发挥原子陀螺仪的理论优势，要尽可能利用原子的物质波属性。超冷原子由于其极低的动能分布和高度相干的性质，非常适用于高精度测量，被视为最有可能发掘出原子干涉仪潜力的载体。由于超冷原子的制备和操控都有较高技术瓶颈，目前该领域的陀螺仪正处于起步阶段，尽管现有的超冷原子陀螺仪角速度分辨力普遍不高，但仍具有很广阔的前景。
本系统基于原子赛格纳克（Sagnac）干涉技术，再结合四极磁阱的磁托举技术，使原子干涉陀螺仪的灵敏度突破3×10⁻5 rad/s。本项目创新性地结合超冷原子、Bragg晶格脉冲、磁四极阱轨道导引等技术研制出了小型化高精度陀螺仪，在角速度精度与系统机动性提升、物质波干涉机理的突破等方面都具有重要科学意义。此外，得益于静磁阱的低噪声，本仪器实现了国际领先的单位面积角速度灵敏度。
图1、超冷原子干涉陀螺仪系统
原子干涉信号的测量
基于系统在前级步骤制备并装载到磁阱中的BEC，我们首先打一束Bragg脉冲使原子团分束并运动到轨道中；当原子恰好运动到离势阱中心最远时，打第二束Bragg脉冲，这束脉冲光与第一束垂直，从而使得原子获得动量在四极磁阱中绕中心进行圆周运动；在原子团运动整数圈后回到分束前的位置时，再打第三束脉冲光使原子部分回到0动量态上，而0动量态上原子数的比例就包含了我们需要的相位信息。实验过程中上下两团原子都相当于进行了一次干涉的测量，通过差分的处理可以消除很多共模噪声；再基于Sagnac效应，我们就可以从测量结果中计算出相位差并得到角速度的测量结果，本系统在经过几个小时的测量后最终角速度分辨力高于3×10-5rad/s。
图2、原子干涉的示意图
蒸发过程中的磁选态过程
由于本系统采用四极磁阱来束缚原子进行干涉测量，只有特定磁子能级（mF=-1）的Rb87原子才能被束缚到阱中，因此我们需要尽可能多的制备处于-1态的Rb87原子。为了实现这个目的，我们在光阱蒸发冷却的过程中开启了四极磁场和偏置磁场，通过调节磁场的开启时间、梯度大小、中心位置等多个参数，我们可以改变蒸发得到的BEC中不同磁子能级原子的比例，实验中我们可以使-1态原子的占比从1/3提高到97%以上，并对相关过程进行了理论分析和建模。下图给出了在磁选态过程中三个不同参数下，BEC中原子在不同磁子能级间的分布，可以看出c图对应的磁选态过程成功使绝大多数原子都处于-1态。
图3、磁选态过程对BEC中原子磁矩的改变
