使用无相互作用受困玻色–爱因斯坦凝聚体的迈赫–曾德尔原子干涉仪

用物质波测量微弱力

设想用不是水或光，而是由原子构成的波去感知极其微小的重力或其他力的变化。这项研究展示了如何将超冷原子云转变为一种新型测量装置，能够感测在仅几微米尺度上力的微小差异。通过精确控制这些原子如何被分裂、保持和重新组合，研究人员构建了一个高度稳定的“原子干涉仪”，使其量子相位在近一秒的时间内保持完整——对于如此脆弱的系统而言，这是异常长的时间。

将超冷原子变为精密工具

这项工作基于玻色–爱因斯坦凝聚体，这是一类被冷却到接近绝对零度的特殊气体云，使得成千上万的原子作为一个单一的相干波共同作用。这些物质波是精密测量的优良候选，因为它们在动量上扩展很小，并且可以用光来塑形和引导。传统上，一些最好的原子干涉仪让这样的原子云自由下落，例如在高塔中或甚至在太空中，以测量重力。但自由落体装置体积庞大。将原子困住在原位——同时仍允许它们的波发生干涉——为紧凑的芯片级器件打开了大门，这类器件终有一天可以适配实验室、车辆甚至便携式导航系统。

构建双路径物质波传感器

作者设计了一种新的方法，用三种精心调谐的激光模式将凝聚体限制并分裂，形成一个微小“双势阱”阵列。每个双阱就像一条带有左右两条通路的微型轨道。玻色–爱因斯坦凝聚体首先被装载到一系列单阱中，然后每个单阱被平滑地转变为一对阱，作为一个束分离器将原子波分成两部分，分离约五微米。第一次分裂后，两部分在它们各自的阱中驻留一段选定的时间，在此期间任何外加力——例如重力或受控的光致推力——都会改变它们之间的相对相位。第二个基于隧穿的束分离器随后通过短暂降低阱间势垒来重新合并两条路径，最终每侧的原子数反映了累积的相位量。

消除碰撞并比较相邻通道

使用致密受困原子云的一个主要挑战是原子之间的碰撞会模糊干涉图样，限制器件的相干维持时间。研究团队通过一种称为费米共振（Feshbach 共振）的磁场调控技术，将原子间相互作用调至接近零，从而克服了这一问题。在这种无相互作用的工作区间，凝聚体表现得更线性，允许通过量子隧穿实现几乎完美对比度的干净束分离。然而，一旦抑制了碰撞，装置就对困阱势的不细微不完美极为敏感。为了解决这一点，研究人员在相同的激光图案中并排运行多个相同的干涉仪并比较它们的输出。任何将所有阱同等移动的扰动都被视为共同信号并被抵消，仅剩相邻传感器之间的小差异——这就是所谓的梯度计配置。

用量子回声对抗噪声

即便在去除大部分原子—原子相互作用并比较相邻传感器之后，缓慢漂移和技术噪声仍可能在长时间尺度上扰乱相位。为了进一步提升性能，研究人员借用了核磁共振中的一个想法，称为自旋回声。在干涉序列的中间，他们施加了一个额外的隧穿脉冲，有效地在每个双阱中交换左右两侧的占据数。这个“回声”可以反转某些静态或缓慢变化扰动的影响，使得在序列结束时这些不想要的相位偏移相互抵消。通过该协议和磁场的精细调节，干涉仪在接近一秒的探测时间内维持可用的相干性——比此前同类受困凝聚体装置延长了近两个数量级。

对未来传感器的意义

该工作表明，可以在紧密受限的双阱中把原子波分裂、保持、重新组合并比较，而且在数百毫秒内不丧失相干性，这为量子传感确立了一个强大的新平台。此处演示的受困原子梯度计原则上可以绘制例如重力或电磁场在微米尺度上的微小变化，远小于一根人发的直径。由于同一套装置既能调入相互作用以产生量子纠缠态，又能关闭相互作用以保护测量，它尤其适合未来能超越所谓散粒噪声极限的传感器。从实际角度看，这种方法将紧凑、超灵敏的原子器件向现实世界的精密计量、近表面材料研究和先进导航等应用更进一步。

引用: Petrucciani, T., Santoni, A., Mazzinghi, C. et al. Mach-Zehnder atom interferometry with non-interacting trapped Bose-Einstein condensates. Nat Commun 17, 3948 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69692-7

关键词: 原子干涉, 玻色–爱因斯坦凝聚体, 量子传感, 重力梯度计, 自旋回声