[论文解读] Asymmetric Mach-Zehnder atom interferometers

B. Dubetsky|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2017

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 3

一句话总结

本文提出一种使用非等效波矢的拉曼分束器的非对称马赫-曾德尔原子干涉仪（AMZAI），以引入与原子反冲频率成比例的量子相移。与传统马赫-曾德尔干涉仪不同，AMZAI的相位包含一个对重力和噪声不敏感的显著量子项，从而实现对反冲频率和精细结构常数的精确测量，且不受拉曼-纳思近似限制。

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.

研究动机与目标

• 为解决传统马赫-曾德尔原子干涉仪中缺乏量子反冲相位的问题，该问题限制了其对基本常数的灵敏度。
• 开发一种新型干涉仪构型，以独立于经典重力和噪声的方式分离出反冲频率的量子相位贡献。
• 通过仅对量子相位敏感的响应，实现对反冲频率和精细结构常数的高精度测量。
• 通过利用非对称分束器的波矢差异，克服现有方法的局限性，如相位噪声和衍射相位误差。

提出的方法

• 通过使用非反向传播的激光束，设计一种使用非等效有效波矢的非对称马赫-曾德尔干涉仪，利用拉曼分束器实现。
• 采用顺序技术独立调节第二和第三个拉曼脉冲的波矢，以控制反冲频率的贡献。
• 通过含经典与量子贡献的密度矩阵演化推导干涉仪相位。
• 引入一个响应函数，以隔离仅依赖于量子相位的项，该相位独立于重力、振动及相位噪声。
• 使用完整的时变哈密顿量，并在拉曼-纳思近似之外求解密度矩阵方程，以确保精度。
• 定义一种仅依赖于量子相位的可测量信号，从而实现对反冲频率的稳健提取。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否修改马赫-曾德尔原子干涉仪，使其包含与反冲频率成比例的量子相移？
• RQ2 具有非等效波矢的非对称分束器构型是否会产生标准MZAI中不存在的量子相位项？
• RQ3 能否构建一种响应，仅对量子反冲相位敏感，而对重力和噪声不敏感？
• RQ4 该新型干涉仪构型是否可在拉曼-纳思近似之外实现对反冲频率的高精度测量？
• RQ5 该方法能否为测量精细结构常数提供一种新的、抗噪声的途径？

主要发现

• AMZAI的相位包含一个与反冲频率成比例的量子项，而标准MZAI在均匀重力场中缺乏此类项。
• 识别出一种仅依赖于量子相位的响应函数，使其对重力、振动及相位/频率噪声具有鲁棒性。
• 该方法可在不依赖共轭干涉仪或布喇格衍射的情况下，实现对反冲频率和精细结构常数的精确测量。
• 该方法对衍射相位和相位噪声不敏感，相较于现有技术（如布喇格区共轭干涉仪方法）具有优势。
• 理论分析表明，即使在拉曼-纳思近似之外，量子相位项仍保持显著，验证了该方法的鲁棒性。
• 可通过仅隔离量子贡献的响应，从干涉仪信号中提取反冲频率，从而实现对基本常数的高精度检验。