[論文レビュー] An atom interferometer testing the universality of free fall and gravitational redshift

Christian Ufrecht, Fabio Di Pumpo+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2020

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、空間的重ね合わせを必要とせず、内部状態遷移のみを用いて、自由落下の普遍性と重力赤方偏移を同時にテストする軽量パulses原子干渉計を提案する。この手法は、物理的原子時計を量子センサーフレームワークに一般化し、現在の実験技術を用いて実現可能な二重テスト手法を提供し、一般相対性理論の主要予測を検証する。

ABSTRACT

Light-pulse atom interferometers constitute powerful quantum sensors for inertial forces. They are based on delocalised spatial superpositions and the combination with internal transitions directly links them to atomic clocks. Since classical tests of the gravitational redshift are based on a comparison of two clocks localised at different positions under gravity, it is promising to explore whether the aforementioned interferometers constitute a competitive alternative for tests of general relativity. Here we present a specific geometry which together with state transitions leads to a scheme that is concurrently sensitive to both violations of the universality of free fall and gravitational redshift, two premises of general relativity. The proposed interferometer does not rely on a superposition of internal states, but merely on transitions between them, and therefore generalises the concept of physical atomic clocks and quantum-clock interferometry. An experimental realisation seems feasible with already demonstrated techniques in state-of-the-art facilities.

研究の動機と目的

• 一般相対性理論の2つの基礎的原理である自由落下の普遍性と重力赤方偏移を同時にテストできる量子センサーの開発を目的とする。
• 従来の時計ベースのテストの限界を克服し、干渉計の感度と原子時計の原理を統合する。
• 空間的重ね合わせに依存せず、内部状態遷移のみに依存するスケームを設計し、実験的実装を簡素化する。
• 光パulses原子干渉計の幾何構造に組み込むことで、量子時計干渉計の概念を一般化する。
• 現在の最先端の原子物理学施設を用いて実現可能な実験的実装を可能にする。

提案手法

• 干渉計は光パulsesを用いて原子状態を位相に依存する形でコherentに操作し、慣性的および重力的効果に敏感な位相差を生成する。
• 内部原子状態間の遷移を活用して、重力赤方偏移と自由落下加速度を測定可能な位相差に符号化する。
• 幾何構造が設計されており、位相差が重力赤方偏移および自由落下の普遍性の破れの両方に依存するようにする。
• 空間的内部状態重ね合わせを回避し、代わりにラマンまたは光学遷移による状態依存位相シフトに依存する。
• 干渉計の位相応答は、固有時差と加速度の両方の効果の組み合わせから導出され、等価原理によって結びつけられる。
• 原子時計の原理を干渉計フレームワークに埋め込むことで、物理的原子時計を一般化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 空間的内部状態重ね合わせに依存せず、1つの原子干渉計が自由落下の普遍性と重力赤方偏移を同時にテストできるか？
• RQ2 光パulses原子干渉計における状態遷移をどのように用いて、重力赤方偏移と慣性的加速度の両方を調べられるか？
• RQ3 原子時計の原理をどの程度、一般相対性理論の検証を目的とした量子干渉計フレームワークに一般化できるか？
• RQ4 どの干渉計幾何構造が、自由落下の普遍性の破れと重力赤方偏移の両方に同時に感度を持つのか？
• RQ5 このような二重テストスキームは、現在の原子物理学技術で実験的に実現可能か？

主な発見

• 提案された干渉計の幾何構造により、状態遷移のみを用いて自由落下の普遍性と重力赤方偏移の両方に同時に感度を持つことが可能である。
• 内部状態の重ね合わせを必要としないため、従来の物質波干渉計と比較して実験的複雑性が低減される。
• 原子時計の原理を干渉計フレームワークに埋め込むことで、物理的原子時計を一般化する。
• 理論的解析により、位相差が固有時差（赤方偏移）と加速度（自由落下）の両方に依存することが確認され、二重テストが可能である。
• 最先端の原子干渉計施設を用いた現在の技術で実験的に実現可能である。
• このフレームワークは、原子時計の精度と干渉計の感度を組み合わせた、一般相対性理論の検証のための新たな道筋を提供する。