[논문 리뷰] Coherence limits in lattice atom interferometry at the one-minute scale

Cristian D. Panda, Matt Tao외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 13.

Pulsars and Gravitational Waves Research참고 문헌 38인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 원자 탑재기에서 일반적으로 3초의 한계를 넘어서 70초까지 양자 얽힘을 유지하는 격자 원자 간섭계를 구현한다. 집단적 위상 분리 메커니즘을 분석함으로써, 수십 초 이상의 유지 시간에서 디코herence 속도가著 감소하는 것을 밝혀내어 중력 측정, 제5력 탐색, 중력의 양자 성질 검증을 위한 장거리 기반 양자 측정을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 원자 탑재기의 전통적인 3초 한계를 넘어서 원자 간섭계의 얽힘 시간을 연장하는 것.
• 1분 단위 시간 척도에서 격자 기반 원자 간섭계의 얽힘에 대한 기본 한계를 조사하는 것.
• 원자 군집에서 얽힘을 제한하는 집단적 위상 분리 메커니즘을 규명하고 분석하는 것.
• 중력 측정, 제5력 탐색, 양자 중력 탐사 등 응용을 위한 장거리 기반 양자 측정을 가능하게 하는 것.
• 장기 조사 시간에서의 디코herence 역학을 이해하기 위한 이론적 및 실험적 프레임워크를 수립하는 것.

제안 방법

• 초냉각 원자에 대한 공간 양자 초월 상태를 생성하고 유지하기 위해 스핀에 의존하는 광학 격자를 사용한다.
• 장기 유지 시간 동안 원자 웨이브패킷을 일관적으로 분할하고 재결합하기 위해 시간 지연 Raman 펄스 시퀀스를 적용한다.
• 원자 상호작용과 환경 노이즈로 인한 집단적 위상 분리 이론 모델을 수립하여 얽힘 감쇠를 예측한다.
• 양자 간섭 무늬의 명암도를 유지 시간 함수로 측정하여 디코herence 속도를 추출한다.
• 실험적 얽힘 감쇠를 이론적 예측과 비교하여 장기 시간에서의 느려진 디코herence 발생 시점을 규명한다.
• 외부 교란을 최소화하고 조사 시간을 연장하기 위해 10m 높이의 진공 장치를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 격자 원자 간섭계의 얽힘 시간이 1분 단위에서 무엇에 의해 제한되는가?
• RQ2 수십 초를 초과하는 유지 시간에서 집단적 위상 분리는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 장기 조사 시간에서 디코herence 속도가著 감소하여 더 긴 양자 얽힘을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ4 장기 간섭 시퀀스에서 얽힘의 열화를 유도하는 주요 환경적 요인과 다체적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 정밀 중력 측정 및 기본 물리학 응용을 위해 얼마나 오랫동안 얽힘을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 실험적으로 격자 원자 간섭계에서 70초 간의 얽힘 시간을 달성하여 일반적으로 3초의 한계를 크게 초월한다.
• 수십 초 이상의 유지 시간에서 디코herence 속도가著 감소함을 확인하여, 위상 분리 억제 상태로의 전이를 시사한다.
• 이론적 모델링은 원자 상호작용과 노이즈 원인으로 인한 집단적 위상 분리가 장기적으로 효과가 감소함을 확인하여 장기 얽힘을 가능하게 한다.
• 관측된 얽힘은 기본 양자 노이즈가 아니라 격자 불완전성과 원자 운동으로 인한 잔여 위상 분리로 제한된다.
• 환경적 요인과 다체적 효과를 개선함으로써 몇 분 간의 얽힘 시간도 달성 가능할 것으로 보인다.
• 이러한 결과는 중력 측정, 제5력 탐색, 중력의 양자 성질 검증을 위한 장거리 기반 양자 센서의 새로운 길을 열어준다.