[论文解读] An atom interferometer testing the universality of free fall and gravitational redshift

Christian Ufrecht, Fabio Di Pumpo+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2020

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 4

一句话总结

本文提出一种轻脉冲原子干涉仪，仅通过内部态跃迁而非内部态叠加，即可同时检验等效原理中的自由落体普遍性与引力红移。该方案将物理原子钟推广为量子传感器平台，利用现有实验技术，提供一种可行的双重测试方法，用于检验广义相对论的关键预测。

ABSTRACT

Light-pulse atom interferometers constitute powerful quantum sensors for inertial forces. They are based on delocalised spatial superpositions and the combination with internal transitions directly links them to atomic clocks. Since classical tests of the gravitational redshift are based on a comparison of two clocks localised at different positions under gravity, it is promising to explore whether the aforementioned interferometers constitute a competitive alternative for tests of general relativity. Here we present a specific geometry which together with state transitions leads to a scheme that is concurrently sensitive to both violations of the universality of free fall and gravitational redshift, two premises of general relativity. The proposed interferometer does not rely on a superposition of internal states, but merely on transitions between them, and therefore generalises the concept of physical atomic clocks and quantum-clock interferometry. An experimental realisation seems feasible with already demonstrated techniques in state-of-the-art facilities.

研究动机与目标

• 开发一种量子传感器，可同时检验广义相对论的两个基础原理：自由落体普遍性与引力红移。
• 通过将干涉测量灵敏度与原子钟原理结合，克服传统基于钟的测试的局限性。
• 设计一种仅依赖内部态跃迁而非空间叠加的方案，简化实验实现。
• 通过将量子钟干涉技术嵌入轻脉冲原子干涉仪几何结构中，推广该概念。
• 利用现有最先进的原子物理设施，实现可行的实验实现。

提出的方法

• 干涉仪利用光脉冲序列相干操控原子态，产生对惯性与引力效应敏感的相位移。
• 通过原子内部态之间的跃迁，将引力红移与自由落体加速度编码为可测量的相位差。
• 通过精心设计的几何结构，使相位移同时依赖于引力红移和自由落体普遍性破坏。
• 该方案避免了内部态的空间叠加，转而依赖拉曼或光学跃迁引起的状态依赖相位移。
• 干涉仪的相位响应源自本征时间差异与加速度的联合效应，通过等效原理关联。
• 该方法通过将原子钟嵌入测量引力与惯性效应的干涉框架中，推广了物理原子钟的原理。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在一个原子干涉仪中，仅通过内部态跃迁而不依赖内部态的空间叠加，同时检验自由落体普遍性与引力红移？
• RQ2 如何利用轻脉冲原子干涉仪中的态跃迁探测引力红移与惯性加速度？
• RQ3 原子钟原理在多大程度上可推广至用于检验广义相对论的量子干涉框架？
• RQ4 何种干涉仪几何结构可实现对自由落体普遍性破坏与引力红移的同步敏感？
• RQ5 该双重测试方案是否可在现有原子物理技术条件下实现？

主要发现

• 所提出的干涉仪几何结构仅通过态跃迁即可实现对自由落体普遍性与引力红移的同步敏感。
• 该方案无需内部态的空间叠加，相比传统物质波干涉仪显著降低了实验复杂度。
• 该方法通过将原子钟嵌入测量引力与惯性效应的量子干涉结构中，推广了物理原子钟的原理。
• 理论分析证实，相位移同时依赖于本征时间差异（红移）与加速度（自由落体），从而实现双重检验。
• 该方法可利用现有最先进的原子干涉仪设施中的技术实现。
• 该框架为利用量子传感器检验广义相对论提供了新途径，结合了原子钟的精度与干涉测量的灵敏度。