[论文解读] Cavity-Mediated Collective Momentum-Exchange Interactions

Chengyi Luo, Haoqing Zhang+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2023

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 5

一句话总结

该论文首次在激光冷却原子的多体系统中实验实现了腔介导的动量交换相互作用，原子通过驻波腔中的集体光子发射与吸收交换动量态。该相互作用产生全连接的伊辛类耦合以及多体能隙，抑制了德布鲁因相位漂移，实现了鲁棒的量子干涉测量，并为模拟超导体和动力学规范场等奇异量子物态开辟了新途径。

ABSTRACT

Quantum simulation and sensing hold great promise for providing new insights into nature, from understanding complex interacting systems to searching for undiscovered physics. Large ensembles of laser-cooled atoms interacting via infinite-range photon mediated interactions are a powerful platform for both endeavours. Here, we realize for the first time momentum-exchange interactions in which atoms exchange their momentum states via collective emission and absorption of photons from a common cavity mode. The momentum-exchange interaction leads to an observed all-to-all Ising-like interaction in a matter-wave interferometer, which is useful for entanglement generation. A many-body energy gap also emerges, effectively binding interferometer matter-wave packets together to suppress Doppler dephasing, akin to Mössbauer spectroscopy. The tunable momentum-exchange interaction provides a new capability for quantum interaction-enhanced matter-wave interferometry and for realizing exotic behaviors including simulations of superconductors and dynamical gauge fields.

研究动机与目标

• 通过腔介导机制在多体系统中实现原子之间的动量交换相互作用。
• 通过集体光子交换在物质波干涉仪中实现全连接的伊辛类相互作用。
• 通过多体能隙的出现抑制德布鲁因相位漂移，类比于莫塞莱谱学。
• 通过将相互作用从内部自旋自由度扩展至动量空间，实现量子传感与模拟的新能力。
• 探索通过合成动量维度生成拓扑超流体和动力学规范场等奇异量子物态的潜力。

提出的方法

• 利用驻波光腔，通过原子在不同动量态（$p_0 \pm \hbar k$）间的集体光子发射与吸收，介导动量交换相互作用。
• 采用频率啁啾的双色激光束，频率间隔为 $\omega_z/2\pi$，驱动布喇格脉冲，通过侧带耦合实现动量态跃迁。
• 将探测激光稳定在腔共振频率以下 77 MHz，侧带频率相对于 dressed 腔共振频率偏移 3 MHz，以确保高保真度拉比旋转。
• 施加 25.11 kHz/ms 的线性频率啁啾，以补偿原子自由下落引起的多普勒频移，维持干涉仪序列中的共振条件。
• 通过速度选择性拉曼跃迁和微波 $\pi$-脉冲进行初始态制备，将原子制备在 $|F=2, m_F=2, p_0 - \hbar k\rangle$ 态。
• 实施非破坏性量子非坍缩（QND）测量协议，通过拉曼跃迁和态依赖的剥离激光，读出动量态 $p_0 \pm \hbar k$ 和 $p_0 \pm 3\hbar k$ 的布居数。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在激光冷却原子的多体系统中，通过腔介导的光子交换实现动量交换相互作用？
• RQ2 在物质波干涉仪中，集体动量交换相互作用如何表现，其有效哈密顿量是什么？
• RQ3 多体能隙的出现在多大程度上抑制了干涉仪中的德布鲁因相位漂移？与莫塞莱效应或兰姆-迪克效应相比有何异同？
• RQ4 该平台能否在仅动量表象下实现集体 XX-海森堡模型，而无需涉及原子内部态？
• RQ5 通过合成动量维度，该系统在实现拓扑超流体或动力学规范场等奇异量子物态方面有何前景？

主要发现

• 实验成功实现了腔介导的动量交换相互作用，在物质波干涉仪中产生有效的全连接伊辛类相互作用。
• 动量交换相互作用诱导了磁质依赖的全局自旋进动，表现为一轴扭转（OAT），证实了该相互作用的集体特性。
• 多体能隙的出现抑制了单粒子德布鲁因频移引起的相位漂移，类比于莫塞莱谱学，但机制上有所不同。
• 系统展示了鲁棒的量子干涉测量，布喇格脉冲的保真度因大失谐（$3~\text{MHz} \gg \kappa$）导致的噪声抑制而保持在 95% 以上。
• 通过 QND 协议高保真度测量了动量态 $p_0 \pm \hbar k$ 和 $p_0 \pm 3\hbar k$ 的布居数，证实了动量交换过程中残余的集体辐射增强效应。
• 该平台可在仅动量表象下实现集体 XX-海森堡哈密顿量，为超越两能级系统的量子模拟开辟了新途径。