冷原子干涉系统中量子非破坏性测量的研究

Cold-atom interferometers are based on the principle of matter wave interference, which have extensive applications in the area of precise measurements. Cold-atom gravimeter is an important measure to obtain data of global gravitational field applied in areas such as national defence and military, resources exploration and so on. The research trends of cold-atom gravimeters are improving measurement sensitivity with new theories and methods on the one hand, and accuracy of gravity acceleration measurement on the other hand. The project will adopt a method of quantum non-demolition measurement, called resonant cavity enhanced Faraday rotation detection scheme, to probe atomic populations, produce pseudo-spin squeezed state of atomic ensemble and decrease the standard quantum limit noise. On the other hand, the scheme can be used for probing the interference signal with uniform efficiency to decrease the influence of Coriolis force and improve the accuracy of gravimetry. The research will improve performance of cold-atom gravity measurement and promote the development of related areas.

冷原子干涉仪基于冷原子的物质波干涉原理，在精密测量领域有广泛应用。其中，冷原子干涉重力测量是获取地球重力场数据的重要手段，应用于国防军事、资源勘探等领域。冷原子干涉重力测量的发展趋势一方面是采用新原理、新方法不断提高测量灵敏度，另一方面是提高重力测量的准确度，以实现对重力加速度的精确测量。本项目拟采用一种量子非破坏性测量方法，称为谐振腔增强的法拉第旋光探测方法，探测原子布居数，制备原子系综赝自旋压缩态，研究降低冷原子干涉系统的标准量子极限噪声。另一方面，利用这种方法探测冷原子干涉信号，可实现原子团的探测效率平衡，降低科里奥利力对冷原子干涉重力测量的影响，提高重力测量的准确度。本课题的实施将有效提高冷原子干涉重力测量精度，推动相关科学领域的发展。

冷原子干涉仪基于冷原子的物质波干涉原理，在精密测量领域有广泛应用。其中，冷原子干涉重力测量是获取地球重力场数据的重要手段，应用于国防军事、资源勘探等领域。冷原子干涉重力测量的发展趋势一方面是采用新原理、新方法不断提高测量灵敏度，另一方面是提高重力测量的准确度，以实现对重力加速度的精确测量。本项目设计搭建了小型冷原子系统，包括真空物理部分、集成于真空系统内的谐振腔、激光光路部分以及时序控制和数据采集处理部分，用于量子非破坏性测量实验研究；理论和实验研究冷原子法拉第旋光效应，研究旋转角与原子密度、探测光功率等各种物理因素的关系；研究基于冷原子法拉第旋光效应实现冷原子的量子非破坏性测量，研究原子系综赝自旋压缩态的制备；研究基于冷原子法拉第旋光效应实现冷原子干涉条纹的平衡探测，降低科里奥利力效应的影响。本项目主要结果是完成了理论和实验研究法拉第旋光效应与各种物理参数的关系，完成利用该效应实现对原子布居数的非破坏性测量的实验研究；完成基于该非破坏性测量方案探索制备冷铷原子系综赝自旋压缩态；完成利用法拉第旋光效应实现冷原子干涉系统的归一化探测，测量原子干涉条纹。本课题的实施将有效提高冷原子干涉重力测量精度，推动相关科学领域的发展。