[논문 리뷰] Demonstration of a programmable optical lattice atom interferometer

Catie LeDesma, Kendall Mehling외 6명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 28.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 강화학습과 양자 최적 제어를 활용하여 초저온 원자를 1차원 광학 격자에서 조작함으로써 고정밀 관성 측정을 위한 기계 설계된 광학 격자 원자 간섭계를 제시한다. 이 시스템은 봉쇄된 시공간 면적에 대해 거의 최적의 감도를 달성하였으며, 왕복 시간은 500 μs 이하이며, 더 긴 이동 시간으로 스케일링할 경우 단일 원자 감도가 약 ~6×10⁻⁸g에 이를 수 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 동적 환경에서의 내구성을 향상시키기 위해 재구성 가능하고 소형화된 원자 간섭계를 광학 격자를 활용해 개발한다.
• 우주선 및 저궤도 응용 분야에서 크기, 무게, 환경 안정성 측면에서 자유공간 원자 간섭계의 한계를 극복한다.
• 기계 학습과 최적 제어를 활용하여 간섭계 구성 요소(예: 분할기, 거울)의 복잡한 양자 제어 시퀀스를 설계한다.
• 재결합 후 운동량 상태 분포를 측정하여 고정밀 가속도 측정을 실현하고, 실시간 성능 조정을 가능하게 한다.
• 양자 한계와의 성능 비교를 통해 슈팅 노이즈 제한 작동 및 그 이상으로의 확장 가능성을 탐색한다.

제안 방법

• 원자 파동함수를 조작하기 위해 시간에 따라 변화하는 격자 진동 함수를 설계하기 위해 강화학습(RL)과 궤도 최적화를 위한 투영 연산자 뉴턴 방법(PRONTO)을 사용하였다.
• 반대 방향으로 진행하는 852 nm 레이저 빔을 이용해 1차원 광학 격자를 형성하였으며, 위상과 강도는 압전 광학 모듈(AOMs)을 통해 제어되어, 주기적 위치 에너지 $ V(r,t) = V_L(r_\perp)\cos(2k\cdot r + \phi(t)) + V_D(r) $ 를 생성하였다.
• 교차하는 1064 nm 디폴드 트랩을 이용한 전적으로 광학적인 증발을 수행하여, 로딩 이전에 $ 2 \times 10^4 $개의 보스-아인슈타인 응축을 생성하였다.
• 780 nm 프로브 레이저를 사용한 시간 간격 영상 촬영 후, 운동량 상태 $ p \in \{-6\hbar k, \ldots, 6\hbar k\} 에 대한 출력 분포를 측정하였다.
• 모의와 실험적 운동량 분포 간 제닝스-셜론 발산을 기반으로 한 최대 우도 추정을 통해 간섭계를 校정하였다.
• 고전적 피셔 정보 $ I(a) = \sum_p \frac{1}{P(p|a)} \left( \frac{\partial P(p|a)}{\partial a} \right)^2 $ 를 사용하여 감도를 정량화하였으며, 이상적인 자유공간 기준과 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기계 학습과 최적 제어 방법을 활용하여 광학 격자 내 원자 간섭계에 대해 고정밀도 양자 제어 시퀀스를 설계할 수 있는가?
• RQ2 주어진 시공간 면적에 대해 격자 기반 원자 간섭계의 성능이 양자 한계에 얼마나 가까이 도달하는가?
• RQ3 간섭계의 감도는 이동 시간에 따라 어떻게 변화하며, 실질적으로 10⁻⁷g 이하 감도를 달성할 수 있는가?
• RQ4 다양한 측정 환경에 맞게 실시간으로 재구성하여 동적 범위와 감도를 조절할 수 있는가?
• RQ5 측정된 운동량 상태 분포로부터 가속도를 얼마나 정확히 추정할 수 있으며, 방향 식별에서 비대칭성의 역할은 무엇인가?

주요 결과

• 시간 간격 영상 및 운동량 분포를 통해 검증된 바, 50/50 및 100/0 분할기의 실험적 허용도는 각각 98.5%와 97.8%를 기록하였다.
• 비대칭 운동량 분포를 가진 방향 민감 간섭 무늬를 나타내어 가속도의 방향을 명확히 식별할 수 있었다.
• 무늬의 주기성은 이동 시간에 의해 조절 가능하여 감도 및 대역폭을 동적으로 조정할 수 있었으며, 더 긴 시간은 감도를 높였지만 대역폭을 감소시켰다.
• 이동 시간을 0.1초로 스케일링할 경우 단일 원자 감도는 $ 6 \times 10^{-8}g $로 추정되었으며, 봉쇄된 시공간 면적의 양자 한계에 가까이 도달하였다.
• 모의와 실험 간 제닝스-셜론 발산이 높은 일치도를 보였으며, 校정된 점들이 대각선에 매우 가까이 위치하여 가속도 추정의 신뢰성이 높음을 시사하였다.
• 장치는 500 μs 미만의 왕복 시간을 달성하였으며, 100 μs 동안 이동하는 동안 원자 이동 거리는 약 2.5 μm에 그쳐 소형화 잠재력과 컴팩트함을 입증하였다.