[論文レビュー] Demonstration of a programmable optical lattice atom interferometer

Catie LeDesma, Kendall Mehling+6 more|arXiv (Cornell University)|May 28, 2023

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

ひとこと要約

本論文は、強化学習と量子最適制御を用いて、1次元光学格子内で超低温原子を操作し、高精度な慣性センシングを実現する機械学習で設計された光学格子原子干渉計を示している。このシステムは、閉じた時空領域に対してほぼ最適な感度を達成しており、往復時間は500 μs未塔、長時間輸送にスケーリングした場合の1原子感度は約6×10⁻⁸gに達する。

ABSTRACT

Performing interferometry in an optical lattice formed by standing waves of light offers potential advantages over its free-space equivalents since the atoms can be confined and manipulated by the optical potential. We demonstrate such an interferometer in a one dimensional lattice and show the ability to control the atoms by imaging and reconstructing the wavefunction at many stages during its cycle. An acceleration signal is applied and the resulting performance is seen to be close to the optimum possible for the time-space area enclosed according to quantum theory. Our methodology of machine design enables the sensor to be reconfigurable on the fly, and when scaled up, offers the potential to make state-of-the art inertial and gravitational sensors that will have a wide range of potential applications.

研究の動機と目的

• 動的環境における耐障害性を向上させるために、再構成可能でコンパクトな光学格子を用いた原子干渉計の開発。
• 宇宙搭載および低軌道応用を想定した、サイズ、重量、環境安定性の制限を克服するため、自由空間原子干渉計の限界を克服すること。
• 機械学習と最適制御を活用し、ビームスプリッターおよびミラーなどの干渉計部品の複雑な量子制御シーケンスを設計すること。
• 再結合後の運動量状態分布の測定により高精度な加速度センシングを実現し、リアルタイムでの性能チューニングを可能にすること。
• 量子限界との比較を通じて性能を定量的に評価し、エンタングルメントを用いたショットノイズ制限を超えたスケーラビリティの可能性を検討すること。

提案手法

• 原子波動関数を操作するための時間依存的格子振動関数を設計するために、強化学習（RL）と、軌道最適化のための射影作用素ニュートン法（PRONTO）を用いた。
• 反対方向に進む852 nmレーザー光ビームを用いて1次元光学格子を形成し、位相と強度を電気光学モジュレータ（AOM）で制御することで、周期的ポテンシャル $ V(r,t) = V_L(r_\perp)\cos(2k\cdot r + \phi(t)) + V_D(r) $ を生成した。
• 交差する1064 nmダイポールトラップを用いた全光的蒸発により、$ 2 \times 10^4 $ 個のボーズ＝アインシュタイン凝縮体を生成し、その後格子にロードした。
• 780 nmプローブレーザーを用いた飛行時間（TOF）イメージング後に、運動量状態 $ p \in \{-6\hbar k, \ldots, 6\hbar k\} $ の出力分布を測定した。
• シミュレーションと実験の運動量分布の間のジェンセン＝シャノン距離に基づく最尤推定法を用いて、干渉計をキャリブレーションした。
• 古典的フィッシャー情報量 $ I(a) = \sum_p \frac{1}{P(p|a)} \left( \frac{\partial P(p|a)}{\partial a} \right)^2 $ を用いて感度を定量的に評価し、理想的な自由空間の限界と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 機械学習と最適制御手法を用いて、光学格子内での原子干渉計の高精度な量子制御シーケンスを設計できるか？
• RQ2 与えられた時空領域に対して、格子ベースの原子干渉計の性能はどの程度量子限界に近づくか？
• RQ3 干渉計の感度は輸送時間にどのように依存するか？実用的な応用において10⁻⁷g未満の感度を達成できる可能性はどの程度か？
• RQ4 測定シナリオに応じて、リアルタイムでの再構成が可能で、ダイナミックレンジと感度をチューニングできるか？
• RQ5 測定された運動量状態分布から加速度はどの程度正確に推定できるか？また、方向判別における非対称性の役割は何か？

主な発見

• 飛行時間画像および運動量分布を用いた検証により、50/50および100/0のビームスプリッターに対して、それぞれ98.5%および97.8%の実験的忠実度を達成した。
• 非対称な運動量分布を持つ方向に敏感な干渉縞を示し、加速度の方向を明確に判別可能であることを実証した。
• 縞の周期は輸送時間によって調整可能であり、感度と帯域幅の動的調整が可能であった。長時間の輸送により感度が向上したが、帯域幅は低下した。
• 輸送時間を0.1秒にスケーリングした場合の1原子感度は $ 6 \times 10^{-8}g $ と推定され、閉じた時空領域の量子限界に近づいた。
• シミュレーションと実験の間のジェンセン＝シャノン距離は高い一貫性を示し、キャリブレーション点が対角線に近く一致しており、信頼性の高い加速度推定が可能であることを示した。
• 往復時間は500 μs未塔であり、100 μsの輸送中に原子の変位はわずか約2.5 μmにとどまり、コンパクトさと小型化の可能性が顕著に示された。