[论文解读] Demonstration of a programmable optical lattice atom interferometer

Catie LeDesma, Kendall Mehling+6 more|arXiv (Cornell University)|May 28, 2023

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 4

一句话总结

本文展示了一种由机器设计的光学晶格原子干涉仪，利用强化学习与量子最优控制技术，在一维光学晶格中操控超冷原子，实现高精度惯性传感。该系统在封闭的时空面积内实现了接近最优的灵敏度，往返时间低于500 μs，当扩展至更长的传输时间时，单原子灵敏度可达约6×10⁻⁸g。

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.

研究动机与目标

• 开发一种基于光学晶格的可重构、紧凑型原子干涉仪，以提升在动态环境中的鲁棒性。
• 克服自由空间原子干涉仪在尺寸、重量和环境稳定性方面的局限性，适用于空间飞行器和低轨道应用。
• 利用机器学习与最优控制技术，设计复杂的量子控制序列，用于干涉仪组件（如分束器和反射镜）。
• 通过测量再结合后的动量态布居数实现高精度加速度传感，支持实时性能调节。
• 量化性能与量子极限的差距，并探索通过量子纠缠实现散粒噪声极限及更优性能的可扩展性。

提出的方法

• 采用强化学习（RL）和投影算子牛顿轨迹优化方法（PRONTO），设计用于操控原子波函数的时间依赖晶格抖动函数。
• 使用由相对反向传播的852 nm激光束形成的1D光学晶格，通过声光调制器（AOMs）控制相位和强度，产生周期性势场 $ V(r,t) = V_L(r_\perp)\cos(2k\cdot r + \phi(t)) + V_D(r) $。
• 在交叉的1064 nm光镊中进行全光学蒸发，制备出 $ 2 \times 10^4 $ 个玻色-爱因斯坦凝聚体，随后将其加载至晶格中。
• 在780 nm探测激光的飞行时间（TOF）成像后，测量动量态 $ p \in \{-6\hbar k, \ldots, 6\hbar k\} $ 的输出布居数。
• 基于模拟与实验动量分布之间的Jensen-Shannon散度，采用最大似然估计法对干涉仪进行校准。
• 利用经典费舍尔信息 $ I(a) = \sum_p \frac{1}{P(p|a)} \left( \frac{\partial P(p|a)}{\partial a} \right)^2 $ 量化灵敏度，并与理想自由空间极限进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用机器学习与最优控制方法，在光学晶格中为原子干涉仪设计高保真度的量子控制序列？
• RQ2 基于给定时空面积，基于晶格的原子干涉仪性能在多大程度上接近量子极限？
• RQ3 干涉仪的灵敏度如何随传输时间变化？在实际应用中，能否实现低于10⁻⁷g的灵敏度？
• RQ4 系统是否能够实时重构，以调节动态范围与灵敏度，适应不同的测量场景？
• RQ5 从测量的动量态布居数中，加速度的估计精度如何？方向分辨中的不对称性起到何种作用？

主要发现

• 通过飞行时间图像与动量分布验证，50/50和100/0分束器的实验保真度分别达到98.5%和97.8%。
• 系统展现出方向敏感的干涉条纹，动量布居分布具有不对称性，实现了明确的加速度方向分辨。
• 条纹周期可通过传输时间调节，实现灵敏度与带宽的动态调整——更长的传输时间提升灵敏度但降低带宽。
• 当将传输时间扩展至0.1 s时，单原子灵敏度估计为 $ 6 \times 10^{-8}g $，接近封闭时空面积的量子极限。
• 模拟与实验之间Jensen-Shannon散度显示高度一致性，校准点紧密分布在对角线上，表明加速度估计可靠。
• 设备往返时间小于500 μs，100 μs传输期间原子位移仅约2.5 μm，凸显其紧凑性与微型化潜力。