[논문 리뷰] Asymmetric Mach-Zehnder atom interferometers

B. Dubetsky|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 29.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 비대칭 파라미터를 가진 라만 분할기와 비등가 파수벡터를 사용하여, 반동 주파수에 비례하는 양자 위상 이동을 유도하는 비대칭 맥스웰-지엔더 원자 간섭계(AMZAI)를 제안한다. 기존의 맥스웰-지엔더 간섭계와 달리, AMZAI의 위상은 중력과 노이즈에 민감하지 않은 고유한 양자항을 포함하여, 반동 주파수와 구조상 수상도의 정밀 측정이 가능하다. 이는 라만-나스 근사 이외의 영역에서도 가능하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존 맥스웰-지엔더 원자 간섭계에서 양자 반동 위상이 부재하여 기본 상수에 대한 민감도가 제한되는 문제를 해결하기 위해.
• 중력과 노이즈에 영향을 받지 않는, 반동 주파수 기여에 기인한 양자 위상 기여를 분리할 수 있는 새로운 간섭계 구성 방식을 개발하기 위해.
• 유일하게 양자 위상에 민감한 반응에 기반하여 반동 주파수와 구조상 수상도의 고정밀 측정을 가능하게 하기 위해.
• 기존 방법의 한계, 예를 들어 위상 노이즈와 회절 위상 오차를 극복하기 위해 비대칭 분할기 파수벡터를 활용하기 위해.

제안 방법

• 비반대향 레이저 빔을 사용하여 비등가 효과적 파수벡터를 갖는 라만 분할기를 이용한 비대칭 맥스웰-지엔더 간섭계를 설계하기 위해.
• 두 번째 및 세 번째 라만 펄스의 파수벡터를 독립적으로 조절할 수 있는 순차적 기법을 적용하여 반동 주파수 기여를 제어하기 위해.
• 양자역학적 밀도 행렬 진화를 사용하여 간섭계 위상을 유도하고, 고전적 및 양자 기여를 모두 포함하기 위해.
• 중력, 진동, 위상 노이즈와 무관한 양자 위상 항만을 포함하는 반응 함수를 도입하기 위해.
• 라만-나스 근사 이외의 정확도를 확보하기 위해 시간에 따라 변화하는 전체 해밀토니안을 사용하고 밀도 행렬 방정식을 해결하기 위해.
• 유일하게 양자 위상에 의존하는 측정 가능한 신호를 정의하여 반동 주파수의 강인한 추출을 가능하게 하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 맥스웰-지엔더 원자 간섭계를 수정하여 반동 주파수에 비례하는 양자 위상 이동을 포함시킬 수 있는가?
• RQ2 비등가 파수벡터를 가진 비대칭 분할기 구성이 기존 MZAI에서 존재하지 않는 양자 위상 항을 생성하는가?
• RQ3 중력과 노이즈에 민감하지 않고 유일하게 양자 반동 위상에 민감한 반응을 구성할 수 있는가?
• RQ4 이 새로운 간섭계 구성 방식을 통해 라만-나스 근사 이외의 영역에서 반동 주파수를 고정밀도로 측정할 수 있는가?
• RQ5 이 방법이 구조상 수상도 측정을 위한 노이즈에 강한 새로운 길을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 표준 MZAI는 균일한 중력장에서 그러한 항이 없지만, AMZAI의 위상은 반동 주파수에 비례하는 양자항을 포함한다.
• 중력, 진동, 위상/주파수 노이즈에 영향을 받지 않는 유일하게 양자 위상에 의존하는 반응 함수가 도출되었다.
• 공액 간섭계나 브라그 회절에 의존하지 않고도 반동 주파수와 구조상 수상도의 정밀 측정이 가능하다.
• 기존 기법들(예: 브라그 영역에서의 공액 간섭계 사용)과 비교해 회절 위상과 위상 노이즈에 민감하지 않아 우수한 성능을 발휘한다.
• 이론적 분석 결과, 라만-나스 근사 이외의 영역에서도 양자 위상 항이 유의미하게 유지되어 방법의 강건성을 입증한다.
• 양자 기여를 분리하는 반응을 통해 간섭계 신호로부터 반동 주파수를 추출할 수 있으며, 이는 기본 상수의 고정밀도 시험을 가능하게 한다.