[论文解读] Coherence limits in lattice atom interferometry at the one-minute scale

Cristian D. Panda, Matt Tao+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 13, 2022

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 38被引用 6

一句话总结

该论文展示了一种晶格原子干涉仪，其量子相干性可维持长达70秒——显著超过原子喷泉通常的3秒极限。通过分析集体退相位机制，作者发现当保持时间超过数十秒后，退相干明显减缓，从而实现了引力测量、第五种力探测以及引力量子性质检验的长基线量子测量。

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.

研究动机与目标

• 将原子干涉仪的相干时间延长至传统原子喷泉3秒极限以上。
• 研究晶格基原子干涉仪在1分钟时间尺度下的相干性基本极限。
• 识别并分析约束原子集合相干性的集体退相位机制。
• 为引力测量、第五种力探测以及引力量子性质探测等应用，实现长基线量子测量。
• 建立理论与实验框架，以理解长时间探测下的退相干动力学。

提出的方法

• 利用自旋依赖的光晶格，制备并维持超冷原子的空间叠加态。
• 采用时间延迟的拉曼脉冲序列，在长时间保持期间相干地分裂并重新组合原子波包。
• 应用基于原子相互作用与环境噪声的集体退相位理论模型，预测相干性衰减。
• 通过测量干涉条纹可见度随保持时间的变化，提取退相干速率。
• 将实验测得的相干性衰减与理论预测进行比较，识别长时域下退相干减缓的起始点。
• 使用10米高的真空装置，以最小化外部扰动并延长探测时间。

实验结果

研究问题

• RQ1 在1分钟时间尺度下，是什么限制了晶格原子干涉仪的相干时间？
• RQ2 当保持时间超过数十秒时，集体退相位如何演化？
• RQ3 在长时间探测下，退相干速率是否能显著减慢，从而实现更长的量子相干性？
• RQ4 在长时间干涉序列中，主导的环境因素与多体效应是什么，导致相干性退化？
• RQ5 在精密引力测量与基础物理应用中，相干性能在多大程度上得以保持？

主要发现

• 实验在晶格原子干涉仪中实现了70秒的相干时间，远超原子喷泉通常的3秒极限。
• 当保持时间超过数十秒后，退相干速率明显减缓，表明进入退相位抑制的区域。
• 理论建模证实，由于原子相互作用与噪声源引起的集体退相位在长时间下效果减弱，从而实现更长的相干性。
• 观测到的相干性受限于晶格不完美性与原子运动引起的残余退相位，而非基本量子噪声。
• 结果表明，通过改进对环境与多体效应的控制，实现数分钟量级的相干时间是可能的。
• 这些发现为引力测量、第五种力探测以及引力量子性质检验中的长基线量子传感器开辟了新途径。