基于光晶格约束的小型化原子干涉仪精密测量

Atom interferometry is a hot subject in the area of precision measurements. Especially atomic gravimeters and gradiometers for gravity measurements, and for measurements of gravity constant G and fine structure constant α, even for tests of Einstein Equivalent principle, are rapid developing topics around the world. On the other hand, cold atoms in optical lattices have been applied in such important research areas as time-frequency standards, quantum information and quantum simulations, etc. This project propose to combine the two technologies of atom interferometry and optical lattice, to study optical lattice trapped atom interferometers and precision measurements. This is a hot spot of quantum physics and technology. The project study and try to solve such problems on science and technology: implementation of lattice-trapped interferometers and realize a local (~100 μm scale) gravity measurement which cannot been done by a standard free-fall atom gravimeter; study the de-coherence mechanism in such kind of a system and find an approach to increase the interrogation time T and thus the sensitivity; non-destructive imaging using quantum non-demolition measurements, and to study possible approches of breaking the standard quantum limit (SQL) of an atom interferometer.

原子干涉仪是精密测量领域的发展热门，特别是原子干涉重力仪、梯度仪在重力场测量，以及原子干涉仪测量引力常数G、精细结构常数α，乃至对爱因斯坦等效原理验证等，是当前国际国内快速发展的方向。另一方面，光晶格冷原子体系在时间频率标准和量子信息、量子模拟等方面获得了重要应用。本项目提出结合原子干涉仪和光晶格两种技术，开展冷原子光晶格约束的干涉仪的精密测量研究，研究内容是量子物理和量子技术的热点问题。本项目拟解决如下关键科学和技术问题：实现光晶格约束的原子干涉仪，实现普通自由落体原子干涉重力仪无法做到的局域化（百微米尺度）重力测量；研究光晶格中干涉仪的退相干机制，找到提高干涉仪总干涉时间T和灵敏度的方法；同时利用量子非破坏探测技术，研究对光晶格和原子干涉的非（弱）破坏成像和压缩态测量，并研究突破干涉仪灵敏度标准量子极限的可能路径。

本项目的研究背景是基于冷原子物理，是近年来的热门研究领域，主要包括量子模拟、时间频率标准、重力场测量、引力常数G测量、精细结构常数α测量，乃至对爱因斯坦等效原理验证等。.本项目研究基于原子干涉和光晶格相结合的精密测量技术，特别是对冷原子光晶格体系相干性和基于量子非破坏测量（QND）的自旋压缩态两方面的研究。项目获得了如下主要结果。.（1）实现了87Rb 原子干涉仪、光晶格以及两者相结合的重力加速度测量技术，提高了重力加速度测量的灵敏度，并获得了5e-8 g的本地重力加速度测量精度，这相比项目申请时的水平提高了接近1个数量级。.（2）同时，我们研发了一种新型的基于半导体外腔激光器注入锁定技术的Raman激光光学锁相系统，可以解决调制法的边带滤波问题；并且，这种技术还可能与特殊光梳（例如Kerr光梳）相结合，实现百 GHz乃至THz频率差的光学锁相，远超闭环反馈法的回路响应速度。我们测量了冷原子在这种Raman激光驱动下的Rabi振荡及干涉条纹的相干性，研究了干涉仪灵敏度对Raman激光相噪的依赖关系，并研究了光晶格布洛赫振荡对光晶格阱深等参数的依赖关系和退相干。.（3）我们研发了2种新构型的远失谐激光干涉仪，可以有效地抵抗本地声学振动噪声，并保持白光位置，实现了光学信号（光子数）方差对光子数的斜率为1.5的依赖关系，介于经典噪声和标准量子极限中间，为光晶格冷原子系统中的QND自旋压缩态的实现奠定了基础。这项技术有望对基于冷原子的量子传感器和精密测量系统，实现实时连续非破坏探测，从而大幅提高测量效率。.（4）我们研发2种部分相干矢量Airy光束，并加入了涡旋相位。这种光束首先有自聚焦的特性，可以避免过多的透镜组对光晶格激光束波前的破坏，从而保护光晶格的相干性。同时，通过调节相干宽度、矢量偏振、涡旋相位这三个参数，可以有效地控制光束焦平面上的光强和偏振分布。这为光晶格的相干性的主动调控提供了便利。