The preparation of large, low-entropy, highly coherent ensembles of identical quantum systems is fundamental for many studies in quantum metrology1, simulation2 and information3. However, the simultaneous realization of these properties remains a central challenge in quantum science across atomic and condensed-matter systems2,4-7. Here we leverage the favourable properties of tweezer-trapped alkaline-earth (strontium-88) atoms8-10, and introduce a hybrid approach to tailoring optical potentials that balances scalability, high-fidelity state preparation, site-resolved readout and preservation of atomic coherence. With this approach, we achieve trapping and optical-clock excited-state lifetimes exceeding 40 seconds in ensembles of approximately 150 atoms. This leads to half-minute-scale atomic coherence on an optical-clock transition, corresponding to quality factors well in excess of 1016. These coherence times and atom numbers reduce the effect of quantum projection noise to a level that is comparable with that of leading atomic systems, which use optical lattices to interrogate many thousands of atoms in parallel11,12. The result is a relative fractional frequency stability of 5.2(3) × 10-17τ-1/2 (where τ is the averaging time in seconds) for synchronous clock comparisons between sub-ensembles within the tweezer array. When further combined with the microscopic control and readout that are available in this system, these results pave the way towards long-lived engineered entanglement on an optical-clock transition13 in tailored atom arrays.

中文翻译：

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镊子钟的半分钟级原子相干性和高相对稳定性

制备相同量子系统的大型、低熵、高相干系综是量子计量学 1、模拟 2 和信息 3 中许多研究的基础。然而，同时实现这些特性仍然是跨越原子和凝聚态系统的量子科学的核心挑战 2,4-7。在这里，我们利用镊子捕获的碱土（锶 88）原子 8-10 的有利特性，并引入了一种混合方法来定制光势，以平衡可扩展性、高保真状态准备、位点分辨读出和原子相干性的保存. 通过这种方法，我们在大约 150 个原子的集合中实现了超过 40 秒的捕获和光学时钟激发态寿命。这导致光学时钟跃迁的半分钟级原子相干性，对应的质量因子远远超过 1016。这些相干时间和原子数将量子投影噪声的影响降低到与领先原子系统相当的水平，后者使用光学晶格并行询问数千个原子11,12 . 结果是 5.2(3) × 10-17τ-1/2（其中 τ 是平均时间以秒为单位）的相对分数频率稳定性，用于镊子阵列内子集合之间的同步时钟比较。当进一步结合该系统中可用的微观控制和读出时，这些结果为定制原子阵列中光学时钟跃迁的长寿命工程纠缠铺平了道路。这些相干时间和原子数将量子投影噪声的影响降低到与领先原子系统相当的水平，后者使用光学晶格并行询问数千个原子 11,12。结果是 5.2(3) × 10-17τ-1/2（其中 τ 是平均时间以秒为单位）的相对分数频率稳定性，用于镊子阵列内子集合之间的同步时钟比较。当进一步结合该系统中可用的微观控制和读出时，这些结果为定制原子阵列中光学时钟跃迁的长寿命工程纠缠铺平了道路。这些相干时间和原子数将量子投影噪声的影响降低到与领先原子系统相当的水平，后者使用光学晶格并行询问数千个原子 11,12。结果是 5.2(3) × 10-17τ-1/2（其中 τ 是平均时间以秒为单位）的相对分数频率稳定性，用于镊子阵列内子集合之间的同步时钟比较。当进一步结合该系统中可用的微观控制和读出时，这些结果为定制原子阵列中光学时钟跃迁的长寿命工程纠缠铺平了道路。结果是 5.2(3) × 10-17τ-1/2（其中 τ 是平均时间以秒为单位）的相对分数频率稳定性，用于镊子阵列内子集合之间的同步时钟比较。当进一步结合该系统中可用的微观控制和读出时，这些结果为定制原子阵列中光学时钟跃迁的长寿命工程纠缠铺平了道路。结果是 5.2(3) × 10-17τ-1/2（其中 τ 是平均时间以秒为单位）的相对分数频率稳定性，用于镊子阵列内子集合之间的同步时钟比较。当进一步结合该系统中可用的微观控制和读出时，这些结果为定制原子阵列中光学时钟跃迁的长寿命工程纠缠铺平了道路。