[論文レビュー] Coherence limits in lattice atom interferometry at the one-minute scale

Cristian D. Panda, Matt Tao+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 13, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 38被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、原子ファウンテンの一般的な3秒という限界を著しく上回る70秒間の量子コherenceを維持するラティス原子干渉計を示している。集団的位相ずれのメカニズムを分析することで、数10秒を超える保持時間においてデコherenceが著しく遅くなることが明らかになり、重力測定、第五力の探索、重力の量子的性質の検証における長基準距離量子測定が可能になる。

ABSTRACT

In quantum metrology and quantum simulation, a coherent non-classical state must be manipulated before unwanted interactions with the environment lead to decoherence. In atom interferometry, the non-classical state is a spatial superposition, where each atom coexists in multiple locations as a collection of phase-coherent partial wavepackets. These states enable precise measurements in fundamental physics and inertial sensing. However, atom interferometers usually use atomic fountains, where the available interrogation time is limited to around 3 seconds for a 10 m fountain. Here, we realise an atom interferometer with a spatial superposition state that is maintained for as long as 70 seconds. We analyse the theoretical and experimental limits to coherence arising from collective dephasing of the atomic ensemble. This reveals that the decoherence rate slows down markedly at hold times that exceed tens of seconds. These gains in coherence may enable gravimetry measurements, searches for fifth forces or fundamental probes into the non-classical nature of gravity.

研究の動機と目的

• 原子ファウンテンの従来の3秒という限界を超えて、原子干渉計のコherence時間を延長すること。
• 1分スケールにおけるラティスを用いた原子干渉計のコherenceの根本的限界を調査すること。
• 原子アンサンブルにおけるコherenceを制限する集団的位相ずれメカニズムを特定・分析すること。
• 重力測定、第五力の探索、量子重力のプローブの応用を想定した長基準距離量子測定を可能にすること。
• 延長された照射時間におけるデコherenceダイナミクスを理解するための理論的・実験的枠組みを確立すること。

提案手法

• 超低温原子の空間的スーパーポジション状態を生成・維持するためにスピン依存性の光格子を用いる。
• 時間遅延付きのラマンパルス列を用いて、長時間の保持時間を経て原子波動関数をコherentに分割・再結合する。
• 原子間相互作用および環境ノイズによる集団的位相ずれの理論的モデルを適用し、コherenceの減衰を予測する。
• 干渉縞の可視度を保持時間の関数として測定し、デコherence率を抽出する。
• 実験的コherence減衰と理論的予測を比較することで、長時間におけるデコherenceの遅れの発生を特定する。
• 外部の摂動を最小限に抑えるために10 mの高さの真空装置を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1分スケールにおけるラティス原子干渉計のコherence時間を制限する要因は何か？
• RQ2 数十秒を超える保持時間において、集団的位相ずれはどのように変化するか？
• RQ3 長時間の照射時間において、デコherence率が著しく低下し、より長い量子コherenceが達成可能になるか？
• RQ4 長時間の干渉測定において、コherenceを劣化させる支配的因数としての環境的要因および多体効果は何か？
• RQ5 高精度な重力測定および基礎物理学への応用を想定した場合、コherenceはどの程度保持可能か？

主な発見

• 本実験では、ラティス原子干渉計で70秒間のコherence時間を達成した。これは、原子ファウンテンの一般的な3秒という限界を著しく上回る。
• 保持時間が数十秒を超えると、デコherence率が著しく低下し、位相ずれが抑制された状態に移行することが示された。
• 理論的モデルにより、原子間相互作用およびノイズ源による集団的位相ずれが、長時間では効果が薄くなることが確認され、長時間のコherenceが可能になることが裏付けられた。
• 観測されたコherenceは、根本的な量子ノイズではなく、格子の不完全性および原子の運動に起因する残存位相ずれによって制限されている。
• 環境的および多体的効果の制御を改善すれば、数分にのぼるコherence時間の達成が可能になる可能性がある。
• 本研究の結果は、重力測定、第五力の探索、重力の量子的性質の検証に向けた長基準距離量子センサの新たな道筋を示している。