[論文レビュー] Asymmetric Mach-Zehnder atom interferometers

B. Dubetsky|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2017

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、非等しい波数を持つラマンビームスプリッタを用いて、レコイル周波数に比例する量子位相シフトを導入する非対称マハーズェンダー原子干渉計（AMZAI）を提案する。従来のマハーズェンダー干渉計とは異なり、AMZAIの位相には重力やノイズに影響されない明確な量子項が含まれており、これによりレコイル周波数および構造定数の高精度な測定が可能になる。この手法は、ラマン＝ナース近似の外でも有効である。

ABSTRACT

It is shown that using beam splitters with non-equal wave vectors results in a new recoil diagram which is qualitatively different from the well-known diagram associated with the Mach-Zehnder atom interferometer. We predict a new asymmetric Mach-Zehnder atom interferometer (AMZAI) and study it when one uses a Raman beam splitter. The main feature is that the phase of AMZAI contains a quantum part proportional to the recoil frequency. A response sensitive only to the quantum phase was found. A new technique to measure the recoil frequency and fine structure constant is proposed and studied outside of the Raman-Nath approximation.

研究の動機と目的

• 従来のマハーズェンダー原子干渉計に量子レコイル位相が存在しないことによる、基本定数への感度制限を解消すること。
• 重力やノイズに依存しない、レコイル周波数に起因する量子位相寄与を分離する新しい干渉計構成を開発すること。
• 重力やノイズに影響されない量子位相にのみ感度を持つ応答関数を用いて、レコイル周波数および構造定数の高精度測定を可能にすること。
• 位相ノイズや効果的回折位相エラーなどの既存手法の制限を、非対称ビームスプリッタの波数差を活用することで克服すること。

提案手法

• 非反対向のレーザービームを用いることで、非等しい有効波数を持つラマンビームスプリッタを用いた非対称マハーズェンダー干渉計を設計する。
• 2番目および3番目のラマンパルスの波数を独立に調整する逐次的技術を採用し、レコイル周波数に起因する寄与を制御可能にする。
• 密度行列の量子力学的時間発展を用いて干渉計の位相を導出し、古典的および量子的寄与を両方含む。
• 重力、振動、位相ノイズに依存しない量子位相項を分離する応答関数を導入する。
• ラマン＝ナース近似を超えて、時間に依存するハミルトニアンを完全に用い、密度行列方程式を解くことで精度を保証する。
• 量子位相にのみ依存する測定可能な信号を定義し、レコイル周波数の強固な抽出を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マハーズェンダー原子干渉計を改造することで、レコイル周波数に比例する量子位相シフトを導入できるか？
• RQ2 非等しい波数を持つ非対称ビームスプリッタ構成は、標準的なMZAIに欠落する量子位相項を生成するか？
• RQ3 重力やノイズに影響されず、量子レコイル位相にのみ感度を持つ応答関数を構築できるか？
• RQ4 この新しい干渉計構成を用いて、ラマン＝ナース近似の外でもレコイル周波数を高精度に測定できるか？
• RQ5 この手法により、ノイズに強く、構造定数を測定するための新たなルートを提供できるか？

主な発見

• 標準的なMZAIとは異なり、AMZAIの位相にはレコイル周波数に比例する量子項が含まれており、一様な重力場内ではこの項が存在しない。
• 重力、振動、位相／周波数ノイズに影響されない量子位相にのみ依存する応答関数が同定された。
• 共役干渉計やブラッグ回折に依存せず、レコイル周波数および構造定数の高精度測定が可能である。
• 回折位相や位相ノイズに感受性が低く、共役干渉計を用いたブラッグ領域の手法に比べて優位性を示す。
• 理論的解析により、量子位相項がラマン＝ナース近似を超えて顕著なままであることが示され、手法の頑健性が裏付けられた。
• 量子寄与を分離する応答関数を用いることで、干渉計信号からレコイル周波数を抽出でき、基本定数の高精度テストが可能になった。