Papers
Topics
Authors
Recent
Search
2000 character limit reached

Atom interferometry with quantized light pulses

Published 3 May 2021 in quant-ph and physics.atom-ph | (2105.00814v2)

Abstract: The far-field patterns of atoms diffracted from a classical light field, or from a quantum one in a photon-number state are identical. On the other hand, diffraction from a field in a coherent state, which shares many properties with classical light, displays a completely different behavior. We show that in contrast to the diffraction patterns, the interference signal of an atom interferometer with light-pulse beam splitters and mirrors in intense coherent states does approach the limit of classical fields. However, low photon numbers reveal the granular structure of light, leading to a reduced visibility since Welcher-Weg (which-way) information is encoded into the field. We discuss this effect for a single photon-number state as well as a superposition of two such states.

Definition Search Book Streamline Icon: https://streamlinehq.com
References (48)
  1. M. Freyberger, A. M. Herkommer, D. S. Krähmer, E. Mayr, and W. P. Schleich, “Atom optics in quantized light fields,” Adv. At. Mol. Opt. Phys. 41, 143–180 (1999).
  2. D. Meschede, H. Walther, and G. Müller, “One-atom maser,” Phys. Rev. Lett. 54, 551–554 (1985).
  3. B. T. H. Varcoe, S. Brattke, M. Weidinger, and H. Walther, “Preparing pure photon number states of the radiation field,” Nature 403, 743–746 (2000).
  4. M. Brune, E. Hagley, J. Dreyer, X. Maître, A. Maali, C. Wunderlich, J. M. Raimond, and S. Haroche, “Observing the progressive decoherence of the “meter” in a quantum measurement,” Phys. Rev. Lett. 77, 4887–4890 (1996).
  5. M. Kasevich and S. Chu, “Atomic interferometry using stimulated Raman transitions,” Phys. Rev. Lett. 67, 181–184 (1991).
  6. V. M. Akulin, F. L. Kien, and W. P. Schleich, “Deflection of atoms by a quantum field,” Phys. Rev. A 44, R1462–R1465 (1991).
  7. K. Bongs, M. Holynski, J. Vovrosh, P. Bouyer, G. Condon, E. M. Rasel, C. Schubert, W. P. Schleich, and A. Roura, “Taking atom interferometric quantum sensors from the laboratory to real-world applications,” Nat. Rev. Phys. 1, 731–739 (2019).
  8. K. Soukup, Lichtpuls-Atominterferometer mit quantisierten Lichtfeldern, Master’s thesis, Universität Ulm (2020).
  9. S. Abend, M. Gebbe, M. Gersemann, H. Ahlers, H. Müntinga, E. Giese, N. Gaaloul, C. Schubert, C. Lämmerzahl, W. Ertmer, W. P. Schleich, and E. M. Rasel, “Atom-chip fountain gravimeter,” Phys. Rev. Lett. 117, 203003 (2016).
  10. D. Schlippert, J. Hartwig, H. Albers, L. L. Richardson, C. Schubert, A. Roura, W. P. Schleich, W. Ertmer, and E. M. Rasel, “Quantum test of the universality of free fall,” Phys. Rev. Lett. 112, 203002 (2014).
  11. C. Ufrecht, F. Di Pumpo, A. Friedrich, A. Roura, C. Schubert, D. Schlippert, E. M. Rasel, W. P. Schleich, and E. Giese, “Atom-interferometric test of the universality of gravitational redshift and free fall,” Phys. Rev. Research 2, 043240 (2020).
  12. E. M. Rasel, M. K. Oberthaler, H. Batelaan, J. Schmiedmayer, and A. Zeilinger, “Atom wave interferometry with diffraction gratings of light,” Phys. Rev. Lett. 75, 2633–2637 (1995).
  13. P. Hamilton, M. Jaffe, J. M. Brown, L. Maisenbacher, B. Estey, and H. Müller, “Atom interferometry in an optical cavity,” Phys. Rev. Lett. 114, 100405 (2015).
  14. B. Canuel, A. Bertoldi, L. Amand, E. P. Di Borgo, T. Chantrait, C. Danquigny, M. Dovale Álvarez, B. Fang, A. Freise, R. Geiger, et al., “Exploring gravity with the MIGA large scale atom interferometer,” Sci. Rep. 8, 14064 (2018).
  15. A. H. Khosa, M. Ikram, and M. S. Zubairy, “Measurement of entangled states via atomic beam deflection in Bragg’s regime,” Phys. Rev. A 70, 052312 (2004).
  16. S. A. Haine and W. Y. S. Lau, “Generation of atom-light entanglement in an optical cavity for quantum enhanced atom interferometry,” Phys. Rev. A 93, 023607 (2016).
  17. L. Salvi, N. Poli, V. Vuletić, and G. M. Tino, “Squeezing on momentum states for atom interferometry,” Phys. Rev. Lett. 120, 033601 (2018).
  18. S. Bernon, T. Vanderbruggen, R. Kohlhaas, A. Bertoldi, A. Landragin, and P. Bouyer, “Heterodyne non-demolition measurements on cold atomic samples: towards the preparation of non-classical states for atom interferometry,” New J. Phys. 13, 065021 (2011).
  19. A. Shankar, G. P. Greve, B. Wu, J. K. Thompson, and M. Holland, “Continuous real-time tracking of a quantum phase below the standard quantum limit,” Phys. Rev. Lett. 122, 233602 (2019).
  20. P. Domokos, P. Adam, J. Janszky, and A. Zeilinger, “Atom de Broglie wave deflection by a single cavity mode in the few-photon limit: Quantum prism,” Phys. Rev. Lett. 77, 1663–1666 (1996).
  21. B. Rohwedder and M. França Santos, “Atomic Talbot interferometry as a sensitive tool for cavity quantum electrodynamics,” Phys. Rev. A 61, 023601 (2000).
  22. A. M. Herkommer, V. M. Akulin, and W. P. Schleich, “Quantum demolition measurement of photon statistics by atomic beam deflection,” Phys. Rev. Lett. 69, 3298–3301 (1992).
  23. D. M. Giltner, R. W. McGowan, and S. A. Lee, “Atom interferometer based on Bragg scattering from standing light waves,” Phys. Rev. Lett. 75, 2638–2641 (1995).
  24. E. Giese, A. Roura, G. Tackmann, E. M. Rasel, and W. P. Schleich, “Double Bragg diffraction: A tool for atom optics,” Phys. Rev. A 88, 053608 (2013).
  25. E. Giese, “Mechanisms of matter-wave diffraction and their application to interferometers,” Fortschr. Phys. 63, 337–410 (2015).
  26. F. W. Cummings, “Stimulated emission of radiation in a single mode,” Phys. Rev. 140, A1051–A1056 (1965).
  27. J. H. Eberly, N. B. Narozhny, and J. J. Sanchez-Mondragon, “Periodic spontaneous collapse and revival in a simple quantum model,” Phys. Rev. Lett. 44, 1323–1326 (1980).
  28. P. L. Knight and P. M. Radmore, ‘‘Quantum origin of dephasing and revivals in the coherent-state Jaynes-Cummings model,” Phys. Rev. A 26, 676–679 (1982).
  29. M. Fleischhauer and W. P. Schleich, “Revivals made simple: Poisson summation formula as a key to the revivals in the Jaynes-Cummings model,” Phys. Rev. A 47, 4258–4269 (1993).
  30. P. Bertet, S. Osnaghi, A. Rauschenbeutel, G. Nogues, A. Auffeves, M. Brune, J. Raimond, and S. Haroche, “A complementarity experiment with an interferometer at the quantum–classical boundary,” Nature 411, 166–170 (2001).
  31. G. S. Agarwal, P. K. Pathak, and M. O. Scully, “Single-atom and two-atom Ramsey interferometry with quantized fields,” Phys. Rev. A 67, 043807 (2003).
  32. M. O. Scully, B.-G. Englert, and H. Walther, “Quantum optical tests of complementarity,” Nature 351, 111–116 (1991).
  33. P. Storey, S. Tan, M. Collett, and D. Walls, “Path detection and the uncertainty principle,” Nature 367, 626–628 (1994).
  34. S. Dürr, T. Nonn, and G. Rempe, “Origin of quantum-mechanical complementarity probed by a ‘which-way’ experiment in an atom interferometer,” Nature 395, 33–37 (1998).
  35. W. P. Schleich, Quantum Optics in Phase Space (Wiley, Weinheim, 2001).
  36. W. P. Schleich, D. M. Greenberger, and E. M. Rasel, “A representation-free description of the Kasevich–Chu interferometer: a resolution of the redshift controversy,” New J. Phys. 15, 013007 (2013).
  37. S. Hartmann, J. Jenewein, E. Giese, S. Abend, A. Roura, E. M. Rasel, and W. P. Schleich, “Regimes of atomic diffraction: Raman versus Bragg diffraction in retroreflective geometries,” Phys. Rev. A 101, 053610 (2020a).
  38. S. Hartmann, J. Jenewein, S. Abend, A. Roura, and E. Giese, “Atomic Raman scattering: Third-order diffraction in a double geometry,” Phys. Rev. A 102, 063326 (2020b).
  39. S. A. Haine, “Information-recycling beam splitters for quantum enhanced atom interferometry,” Phys. Rev. Lett. 110, 053002 (2013).
  40. S. Kleinert, E. Kajari, A. Roura, and W. P. Schleich, “Representation-free description of light-pulse atom interferometry including non-inertial effects,” Phys. Rep. 605, 1–50 (2015).
  41. T. Meunier, S. Gleyzes, P. Maioli, A. Auffeves, G. Nogues, M. Brune, J. M. Raimond, and S. Haroche, “Rabi oscillations revival induced by time reversal: a test of mesoscopic quantum coherence,” Phys. Rev. Lett. 94, 010401 (2005).
  42. P. E. Moskowitz, P. L. Gould, S. R. Atlas, and D. E. Pritchard, “Diffraction of an atomic beam by standing-wave radiation,” Phys. Rev. Lett. 51, 370–373 (1983).
  43. A. P. Kazantsev, G. A. Ryabenko, G. I. Surdutovich, and V. P. Yakovlev, “Scattering of atoms by light,” Phys. Rep. 129, 75–144 (1985).
  44. C. S. Adams, M. Sigel, and J. Mlynek, “Atom optics,” Phys. Rep. 240, 143–210 (1994).
  45. J. M. McGuirk, G. T. Foster, J. B. Fixler, M. J. Snadden, and M. A. Kasevich, “Sensitive absolute-gravity gradiometry using atom interferometry,” Phys. Rev. A 65, 033608 (2002).
  46. A. Louchet-Chauvet, T. Farah, Q. Bodart, A. Clairon, A. Landragin, S. Merlet, and F. Pereira Dos Santos, “The influence of transverse motion within an atomic gravimeter,” New J. Phys. 13, 065025 (2011).
  47. M. Kasevich, D. S. Weiss, E. Riis, K. Moler, S. Kasapi, and S. Chu, “Atomic velocity selection using stimulated Raman transitions,” Phys. Rev. Lett. 66, 2297–2300 (1991).
  48. Y. Torii, Y. Suzuki, M. Kozuma, T. Sugiura, T. Kuga, L. Deng, and E. W. Hagley, “Mach-Zehnder Bragg interferometer for a Bose-Einstein condensate,” Phys. Rev. A 61, 041602 (2000).
Citations (2)
View on Semantic Scholar

Summary

No one has generated a summary of this paper yet.

Sign Up to Summarize

Paper to Video (Beta)

No one has generated a video about this paper yet.

Sign Up to Generate All Videos Subscribe on YouTube

Whiteboard

No one has generated a whiteboard explanation for this paper yet.

Sign Up to Generate

Open Problems

We haven't generated a list of open problems mentioned in this paper yet.

Generate Now

Continue Learning

We haven't generated follow-up questions for this paper yet.

Generate Now

Collections

Sign up for free to add this paper to one or more collections.

Sign Up

Tweets

Sign up for free to view the 1 tweet with 1 like about this paper.

Sign Up for Free