具有記憶誘導相位梳的原子-光關聯量子干涉儀

核心概念

本文提出了一種基於原子-光關聯和相位梳疊加的量子干涉儀，實現了超越標準量子極限的相位靈敏度，為高精度量子測量提供了新的途徑。

摘要

文章類型

這是一篇研究論文，發表在科學期刊上。

研究背景

干涉儀是通過測量相位變化來檢測微小變化的精密儀器，廣泛應用於引力波探測、陀螺儀、成像等領域。然而，傳統干涉儀的靈敏度受限於標準量子極限 (SQL)。

研究目標

本研究旨在開發一種新型量子干涉儀，通過利用原子-光量子關聯和相位梳疊加來突破標準量子極限，實現更高精度的相位測量。

研究方法

研究人員設計了一種原子-光混合量子干涉儀，利用非線性拉曼放大效應在銣原子蒸氣中產生原子態和光態之間的量子關聯。通過結合原子記憶功能和量子關聯，實現了相位梳疊加，進一步提高了干涉儀的靈敏度。

主要發現

實驗結果表明，該量子干涉儀的相位靈敏度達到了 6×10-8 rad/√Hz，超越標準量子極限 8.3 dB。其中，原子-光量子關聯貢獻了 2.3 dB 的增益，而相位梳疊加則貢獻了 6.0 dB 的增益。

主要結論

本研究開發的原子-光混合量子干涉儀，通過利用原子-光量子關聯和相位梳疊加，成功突破了標準量子極限，實現了高精度的光學和原子相位測量。

研究意義

該技術為高精度量子測量提供了新的途徑，在引力波探測、陀螺儀、生物成像以及重力、磁場等原子相位敏感參數的測量方面具有潛在應用價值。

研究局限與展望

未來可以通过使用更高透射率的光學元件和更大束徑的激光來進一步提高相位靈敏度。此外，該技術還可以應用於其他量子計量領域，例如測量原子自旋噪聲等。

統計資料

光學干涉臂的測量功率約為 5µW，對應於光學臂中的 2×10^13/s 個光子和原子臂中的相同原子自旋數。
該干涉儀的最佳相位靈敏度為 ∆𝜑= 6×10^-8 rad/√Hz，超過標準量子極限 8.3 dB。
反向組合過程中的量子放大增益（即 Sf 和 SL 強度的比率）經測量為 𝐼𝑆𝑓/𝐼𝑆𝐿= 2.3，產生了 7.3 dB 的理想信號放大。
由於相位梳引起的鋸齒波形，剩餘的斜率增強因子為 6.0 dB，即 13.3 dB 和 7.3 dB 之差。
鋸齒干涉的噪聲水平（藍色實線）比相干干涉的噪聲水平（Ncoh，藍色虛線）高約 5.0 dB，這主要是由於光臂中的內部損耗造成的。

引述

"Here, we propose and demonstrate an atom-light hybrid quantum interferometry whose sensitivity is enhanced beyond the SQL with atom-light quantum correlation and newly developed phase comb superposition via atomic-memory-assisted multiple quantum amplification."
"Finally, a phase sensitivity beyond the SQL of up to 8.3±0.2 dB is achieved, especially at N=4×10^13/s, resulting in both atomic and optical phase sensitivities of 6×10^-8 rad/√Hz."

從以下內容提煉的關鍵洞見

Atom-light-correlated quantum interferometer with memory-induced phase comb

by Wenfeng Huan... 於 arxiv.org 11-01-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.23674.pdf

深入探究

這種基於原子-光關聯的量子干涉儀如何應用於實際的引力波探測？

原子-光關聯量子干涉儀可以用於提高引力波探測的靈敏度，主要透過以下幾種方式：

突破標準量子極限： 引力波探測需要極高的靈敏度，而傳統干涉儀的靈敏度受限於標準量子極限 (SQL)。原子-光關聯量子干涉儀利用量子增強技術，可以突破標準量子極限，達到更高的靈敏度，進而探測到更微弱的引力波信號。

降低量子噪聲： 原子-光關聯量子干涉儀中的原子-光量子關聯可以有效降低量子噪聲，例如散粒噪聲。這是因為量子關聯允許在不增加光子數量的同時提高信號強度，從而提高信噪比。

提高探測頻段： 現有的引力波探測器主要集中在高頻段，而原子-光關聯量子干涉儀可以透過調整原子躍遷頻率來探測不同頻段的引力波，例如低頻段引力波，這將有助於更全面地理解宇宙中的引力波事件。

應用於空間引力波探測： 原子-光關聯量子干涉儀可以發展成小型化、低功耗的設備，更易於應用於空間引力波探測任務，例如構建空間引力波探測星座，從而克服地面探測器受限於地球曲率和地震噪聲的缺點。

然而，要將原子-光關聯量子干涉儀應用於實際的引力波探測，還需要克服一些技術挑戰：

提高系統穩定性： 長時間保持原子-光量子關聯的穩定性是實現高靈敏度探測的關鍵。
降低環境噪聲： 環境噪聲，例如震動和電磁干擾，會影響干涉儀的靈敏度，需要開發有效的隔離和抑制技術。
實現大規模集成： 為了提高探測靈敏度，需要將大量的原子-光關聯量子干涉儀集成在一起，這需要克服工程和技術上的挑戰。
總之，原子-光關聯量子干涉儀在引力波探測領域具有巨大的應用潛力，但要實現實際應用，還需要進一步的技術突破和工程研發。

如果原子與光場的耦合效率降低，對干涉儀的靈敏度有何影響？

原子與光場的耦合效率降低會直接影響原子-光關聯量子干涉儀的靈敏度，主要體現在以下幾個方面：

降低量子關聯強度： 原子與光場的耦合效率降低會導致生成的原子自旋和光場之間的量子關聯強度減弱。

量子關聯是實現突破標準量子極限的關鍵，其減弱會降低干涉儀的靈敏度增益，使其更接近於標準量子極限。

降低信號強度： 耦合效率降低意味著參與干涉的光子數減少，導致干涉信號強度降低。

弱信號更容易受到噪聲的影響，從而降低信噪比，影響相位測量的精度。

增加相位噪聲： 耦合效率降低會導致原子自旋態的製備和讀出過程中引入更多的噪聲，從而增加相位噪聲。

相位噪聲的增加會直接影響干涉儀的相位靈敏度，降低其探測微小變化的能力。

為了減輕耦合效率降低對干涉儀靈敏度的影響，可以採取以下措施：

優化原子-光相互作用區域： 採用光腔增強技術可以提高原子-光相互作用區域的光子密度，從而提高耦合效率。
選擇合適的原子種類和躍遷能級： 選擇具有較大偶極矩的原子種類和躍遷能級可以增強原子與光場的耦合強度。
降低原子損失率： 原子在囚禁和傳輸過程中的損失會降低有效原子數，從而降低耦合效率。採用更先進的原子囚禁和操控技術可以降低原子損失率。
總之，原子與光場的耦合效率是影響原子-光關聯量子干涉儀靈敏度的重要因素。提高耦合效率對於充分發揮其量子增強特性至關重要。

能否利用這種量子增強技術來提高其他精密測量儀器的性能，例如原子鐘或磁力計？

是的，這種基於原子-光關聯和量子增強的技術，除了應用於干涉儀，也能夠應用於提升其他精密測量儀器的性能，例如原子鐘和磁力計。
原子鐘：

原理： 原子鐘利用原子躍遷頻率的穩定性來計時。
量子增強： 可以利用原子-光關聯製備處於量子糾纏態的原子系綜，其頻率測量精度可以突破標準量子極限，從而提高原子鐘的穩定性和精度。

例如，可以利用原子-光關聯技術產生「 squeezed spin state 」，降低原子鐘的量子投影噪聲，提高其短期穩定性。

優勢： 實現更高精度的原子鐘將在基礎物理研究、時間標準建立、衛星導航等領域具有重要意義。
磁力計：

原理： 磁力計利用原子自旋在磁場中的塞曼效應來測量磁場強度。
量子增強： 可以利用原子-光關聯技術製備高靈敏度的原子磁力計。

例如，可以利用原子-光關聯技術產生自旋压缩态，提高原子磁力計對磁場微弱變化的探測靈敏度。

優勢： 高靈敏度的磁力計在生物醫學成像、材料科學、地球物理勘探等領域具有廣泛的應用前景。
其他應用：
除了原子鐘和磁力計，這種量子增強技術還可以應用於其他精密測量儀器，例如：

重力儀： 利用原子干涉測量重力加速度，量子增強技術可以提高重力儀的靈敏度，用於地球重力場測量、資源勘探等。
旋轉傳感器： 利用原子干涉測量旋轉角速度，量子增強技術可以提高旋轉傳感器的精度，用於慣性導航、地震監測等。
總之，基於原子-光關聯和量子增強的技術在精密測量領域具有廣闊的應用前景，可以顯著提高各種精密測量儀器的性能，促進科學研究和技術應用的發展。