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非线性原子干涉仪超越经典精度极限。

Nonlinear atom interferometer surpasses classical precision limit.

机构信息

Kirchhoff-Institut für Physik, Universität Heidelberg, Im Neuenheimer Feld 227, 69120 Heidelberg, Germany.

出版信息

Nature. 2010 Apr 22;464(7292):1165-9. doi: 10.1038/nature08919. Epub 2010 Mar 31.

DOI:10.1038/nature08919
PMID:20357767
Abstract

Interference is fundamental to wave dynamics and quantum mechanics. The quantum wave properties of particles are exploited in metrology using atom interferometers, allowing for high-precision inertia measurements. Furthermore, the state-of-the-art time standard is based on an interferometric technique known as Ramsey spectroscopy. However, the precision of an interferometer is limited by classical statistics owing to the finite number of atoms used to deduce the quantity of interest. Here we show experimentally that the classical precision limit can be surpassed using nonlinear atom interferometry with a Bose-Einstein condensate. Controlled interactions between the atoms lead to non-classical entangled states within the interferometer; this represents an alternative approach to the use of non-classical input states. Extending quantum interferometry to the regime of large atom number, we find that phase sensitivity is enhanced by 15 per cent relative to that in an ideal classical measurement. Our nonlinear atomic beam splitter follows the 'one-axis-twisting' scheme and implements interaction control using a narrow Feshbach resonance. We perform noise tomography of the quantum state within the interferometer and detect coherent spin squeezing with a squeezing factor of -8.2 dB (refs 11-15). The results provide information on the many-particle quantum state, and imply the entanglement of 170 atoms.

摘要

干扰是波动动力学和量子力学的基础。利用原子干涉仪在计量学中利用粒子的量子波动特性,可以进行高精度的惯性测量。此外,最先进的时间标准基于一种称为拉姆齐光谱学的干涉技术。然而,由于用于推断感兴趣数量的原子数量有限,干涉仪的精度受到经典统计学的限制。在这里,我们通过使用玻色-爱因斯坦凝聚体的非线性原子干涉实验证明,可以超过经典精度极限。原子之间的受控相互作用导致干涉仪内出现非经典纠缠态;这代表了使用非经典输入态的替代方法。将量子干涉扩展到大量原子的范围,我们发现与理想的经典测量相比,相位灵敏度提高了 15%。我们的非线性原子分束器遵循“单轴扭曲”方案,并使用窄的费希巴赫共振来实现相互作用控制。我们在干涉仪内的量子态上执行噪声层析成像,并检测到具有-8.2 dB(参考 11-15)压缩因子的相干自旋压缩。结果提供了有关多粒子量子态的信息,并暗示了 170 个原子的纠缠。

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