We investigate the possible realization of an ultracold-atom rotation sensor that is based on recently proposed tractor atom interferometry (TAI). An experimental design that includes the generation of a Laguerre–Gaussian-beam-based “pinwheel” optical lattice and multi-loop interferometric cycles is discussed. Numerical simulations of the proposed system demonstrate TAI rotation sensitivity comparable to that of contemporary matter-wave interferometers. We analyze a regime of TAI rotation sensors in which nonadiabatic effects may hinder the system's performance. We apply quantum optimal control to devise a methodology suitable to address this nonadiabaticity. Our studies are of interest for current efforts to realize compact and robust matter-wave rotation sensors, as well as for fundamental physics applications of TAI.

1.
M. G.
Tarallo
,
T.
Mazzoni
,
N.
Poli
,
D. V.
Sutyrin
,
X.
Zhang
, and
G. M.
Tino
,
Phys. Rev. Lett.
113
,
023005
(
2014
).
2.
D.
Schlippert
,
J.
Hartwig
,
H.
Albers
,
L. L.
Richardson
,
C.
Schubert
,
A.
Roura
,
W. P.
Schleich
,
W.
Ertmer
, and
E. M.
Rasel
,
Phys. Rev. Lett.
112
,
203002
(
2014
).
3.
T.
Kovachy
,
P.
Asenbaum
,
C.
Overstreet
,
C. A.
Donnelly
,
S. M.
Dickerson
,
A.
Sugarbaker
,
J. M.
Hogan
, and
M. A.
Kasevich
,
Nature
528
,
530
(
2015
).
4.
M.
Jaffe
,
P.
Haslinger
,
V.
Xu
,
P.
Hamilton
,
A.
Upadhye
,
B.
Elder
,
J.
Khoury
, and
H.
Müller
,
Nat. Phys.
13
,
938
(
2017
).
5.
G.
Rosi
,
G.
D'Amico
,
L.
Cacciapuoti
,
F.
Sorrentino
,
M.
Prevedelli
,
M.
Zych
,
V.
Brukner
, and
G. M.
Tino
,
Nat. Commun.
8
,
15529
(
2017
).
6.
J. B.
Fixler
,
G. T.
Foster
,
J. M.
McGuirk
, and
M. A.
Kasevich
,
Science
315
,
74
(
2007
).
7.
R. H.
Parker
,
C.
Yu
,
W.
Zhong
,
B.
Estey
, and
H.
Müller
,
Science
360
,
191
(
2018
).
8.
V.
Xu
,
M.
Jaffe
,
C. D.
Panda
,
S. L.
Kristensen
,
L. W.
Clark
, and
H.
Müller
,
Science
366
,
745
(
2019
).
9.
L.
Morel
,
Z.
Yao
,
P.
Cladé
, and
S.
Guellati-Khélifa
,
Nature
588
,
61
(
2020
).
10.
K.
Bongs
,
M.
Holynski
,
J.
Vovrosh
,
P.
Bouyer
,
G.
Condon
,
E.
Rasel
,
C.
Schubert
,
W. P.
Schleich
, and
A.
Roura
,
Nat. Rev. Phys.
1
,
731
(
2019
).
11.
B.
Culshaw
,
Meas. Sci. Technol.
17
,
R1
(
2005
).
12.
A. D.
Cronin
,
J.
Schmiedmayer
, and
D. E.
Pritchard
,
Rev. Mod. Phys.
81
,
1051
(
2009
).
13.
F.
Riehle
,
T.
Kisters
,
A.
Witte
,
J.
Helmcke
, and
C. J.
Bordé
,
Phys. Rev. Lett.
67
,
177
(
1991
).
14.
T. L.
Gustavson
,
P.
Bouyer
, and
M. A.
Kasevich
,
Phys. Rev. Lett.
78
,
2046
(
1997
).
15.
C.
Schubert
,
S.
Abend
,
M.
Gersemann
,
M.
Gebbe
,
D.
Schlippert
,
P.
Berg
, and
E. M.
Rasel
,
Sci. Rep.
11
,
16121
(
2021
).
16.
B.
Barrett
,
R.
Geiger
,
I.
Dutta
,
M.
Meunier
,
B.
Canuel
,
A.
Gauguet
,
P.
Bouyer
, and
A.
Landragin
,
C. R. Phys.
15
,
875
(
2014
).
17.
S. M.
Dickerson
,
J. M.
Hogan
,
A.
Sugarbaker
,
D. M. S.
Johnson
, and
M. A.
Kasevich
,
Phys. Rev. Lett.
111
,
083001
(
2013
).
18.
G. W.
Hoth
,
B.
Pelle
,
S.
Riedl
,
J.
Kitching
, and
E. A.
Donley
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
071113
(
2016
).
19.
Y.-J.
Chen
,
A.
Hansen
,
M.
Shuker
,
R.
Boudot
,
J.
Kitching
, and
E.
Donley
,
Opt. Express
28
,
34516
(
2020
).
20.
S.
Wu
,
E.
Su
, and
M.
Prentiss
,
Phys. Rev. Lett.
99
,
173201
(
2007
).
21.
E. R.
Moan
,
R. A.
Horne
,
T.
Arpornthip
,
Z.
Luo
,
A. J.
Fallon
,
S. J.
Berl
, and
C. A.
Sackett
,
Phys. Rev. Lett.
124
,
120403
(
2020
).
22.
M.
Beydler
,
E. R.
Moan
,
Z.
Luo
,
Z.
Chu
, and
C. A.
Sackett
, “
Guided-wave Sagnac atom interferometer with large area and multiple orbits
,” (
2023
).
23.
K.
Krzyzanowska
,
J.
Ferreras
,
C.
Ryu
,
E. C.
Samson
, and
M.
Boshier
, “
Matter wave analog of a fiber-optic gyroscope
,” (
2022
).
24.
W. C.
Campbell
and
P.
Hamilton
,
J. Phys. B
50
,
064002
(
2017
).
25.
L.
Qi
,
Z.
Hu
,
T.
Valenzuela
,
Y.
Zhang
,
Y.
Zhai
,
W.
Quan
,
N.
Waltham
, and
J.
Fang
,
Appl. Phys. Lett
110
,
153502
(
2017
).
26.
P.
Muruganandam
and
S. K.
Adhikari
,
J. Phys. B
36
,
2501
(
2003
).
27.
R.
Stevenson
,
M. R.
Hush
,
T.
Bishop
,
I.
Lesanovsky
, and
T.
Fernholz
,
Phys. Rev. Lett.
115
,
163001
(
2015
).
28.
F.
Gentile
,
J.
Johnson
,
K.
Poulios
, and
T.
Fernholz
, “
Ring-shaped atom-trap lattices using multipole dressing fields
,” (
2019
).
29.
C.
Ryu
and
M. G.
Boshier
,
New J. Phys.
17
,
092002
(
2015
).
30.
T. A.
Bell
,
J. A. P.
Glidden
,
L.
Humbert
,
M. W. J.
Bromley
,
S. A.
Haine
,
M. J.
Davis
,
T. W.
Neely
,
M. A.
Baker
, and
H.
Rubinsztein-Dunlop
,
New J. Phys.
18
,
035003
(
2016
).
31.
P.
Navez
,
S.
Pandey
,
H.
Mas
,
K.
Poulios
,
T.
Fernholz
, and
W.
von Klitzing
,
New J. Phys.
18
,
075014
(
2016
).
32.
Z. Y.
Wang
,
Z.
Zhang
, and
Q.
Lin
,
Eur. Phys. J. D
53
,
127
(
2009
).
33.
J. A.
Stickney
and
A. A.
Zozulya
,
Phys. Rev. A
66
,
053601
(
2002
).
34.
J. A.
Stickney
and
A. A.
Zozulya
,
Phys. Rev. A
68
,
013611
(
2003
).
35.
G.-B.
Jo
,
J.-H.
Choi
,
C. A.
Christensen
,
T. A.
Pasquini
,
Y.-R.
Lee
,
W.
Ketterle
, and
D. E.
Pritchard
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
180401
(
2007
).
36.
A.
Duspayev
and
G.
Raithel
,
Phys. Rev. A
104
,
013307
(
2021
).
37.
A.
Steffen
,
A.
Alberti
,
W.
Alt
,
N.
Belmechri
,
S.
Hild
,
M.
Karski
,
A.
Widera
, and
D.
Meschede
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
109
,
9770
(
2012
).
38.
G.
Raithel
,
A.
Duspayev
,
B.
Dash
,
S. C.
Carrasco
,
M. H.
Goerz
,
V.
Vuletić
, and
V. S.
Malinovsky
,
Quantum Sci. Technol.
8
,
014001
(
2022
).
39.
G.
Premawardhana
,
J.
Kunjummen
,
S.
Subhankar
, and
J. M.
Taylor
, “
Investigating the feasibility of a trapped atom interferometer with movable traps
,” arXiv:2308.12246 (
2023
).
40.
T.
Kuga
,
Y.
Torii
,
N.
Shiokawa
,
T.
Hirano
,
Y.
Shimizu
, and
H.
Sasada
,
Phys. Rev. Lett.
78
,
4713
(
1997
).
41.
S.
Franke-Arnold
,
J.
Leach
,
M. J.
Padgett
,
V. E.
Lembessis
,
D.
Ellinas
,
A. J.
Wright
,
J. M.
Girkin
,
P.
Öhberg
, and
A. S.
Arnold
,
Opt. Express
15
,
8619
(
2007
).
42.
E.
Courtade
,
O.
Houde
,
J.-F.
Clément
,
P.
Verkerk
, and
D.
Hennequin
,
Phys. Rev. A
74
,
031403
(
2006
).
43.
L.
Amico
,
A.
Osterloh
, and
F.
Cataliotti
,
Phys. Rev. Lett.
95
,
063201
(
2005
).
44.
R. E.
Sapiro
,
R.
Zhang
, and
G.
Raithel
,
Phys. Rev. A
79
,
043630
(
2009
).
45.
Z.
Pagel
,
W.
Zhong
,
R. H.
Parker
,
C. T.
Olund
,
N. Y.
Yao
, and
H.
Müller
,
Phys. Rev. A
102
,
053312
(
2020
).
46.
M. D.
Feit
,
J. A.
Fleck
, Jr.
, and
A.
Steiger
,
J. Comput. Phys
47
,
412
(
1982
).
47.
R.
Kosloff
,
J. Phys. Chem.
92
,
2087
(
1988
).
48.
H.
Tal-Ezer
and
R.
Kosloff
,
J. Chem. Phys.
81
,
3967
(
1984
).
49.
N.
Khaneja
,
T.
Reiss
,
C.
Kehlet
,
T.
Schulte-Herbrüggen
, and
S. J.
Glaser
,
J. Magn. Res.
172
,
296
(
2005
).
50.
D. J.
Tannor
,
V.
Kazakov
, and
V.
Orlov
, “
Control of photochemical branching: Novel procedures for finding optimal pulses and global upper bounds
,” in
Time-Dependent Quantum Molecular Dynamics
(
Springer
,
1992
), pp.
347
360
.
51.
M. H.
Goerz
et al (
2023
). “JuliaQuantumControl/Krotov.jl,” Github. https://github.com/JuliaQuantumControl/Krotov.jl; software package for implementation of Krotov's method of optimal control.
52.
M. H.
Goerz
et al (2023). “JuliaQuantumControl/QuantumControl.jl,” Github. https://github.com/JuliaQuantumControl/QuantumControl.jl; a Julia framework for quantum dynamics and control.
53.
J. P.
Palao
and
R.
Kosloff
,
Phys. Rev. A
68
,
062308
(
2003
).
54.
D.
Guéry-Odelin
,
A.
Ruschhaupt
,
A.
Kiely
,
E.
Torrontegui
,
S.
Martínez-Garaot
, and
J. G.
Muga
,
Rev. Mod. Phys.
91
,
045001
(
2019
).
55.
M.
Granata
,
C.
Buy
,
R.
Ward
, and
M.
Barsuglia
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
231102
(
2010
).
56.
Y.
Cheng
,
K.
Zhang
,
L.-L.
Chen
,
W.-J.
Xu
,
Q.
Luo
,
M.-K.
Zhou
, and
Z.-K.
Hu
,
AIP Adv.
7
,
095211
(
2017
).
57.
H.
Levine
,
A.
Keesling
,
A.
Omran
,
H.
Bernien
,
S.
Schwartz
,
A. S.
Zibrov
,
M.
Endres
,
M.
Greiner
,
V.
Vuletić
et al,
Phys. Rev. Lett.
121
,
123603
(
2018
).
58.
L.
Salvi
,
N.
Poli
,
V.
Vuletić
, and
G. M.
Tino
,
Phys. Rev. Lett.
120
,
033601
(
2018
).
59.
F.
Anders
,
A.
Idel
,
P.
Feldmann
,
D.
Bondarenko
,
S.
Loriani
,
K.
Lange
,
J.
Peise
,
M.
Gersemann
,
B.
Meyer-Hoppe
et al,
Phys. Rev. Lett.
127
,
140402
(
2021
).
60.
S. C.
Carrasco
,
M. H.
Goerz
,
Z.
Li
,
S.
Colombo
,
V.
Vuletić
, and
V. S.
Malinovsky
,
Phys. Rev. Appl.
17
,
064050
(
2022
).
61.
G. P.
Greve
,
C.
Luo
,
B.
Wu
, and
J. K.
Thompson
,
Nature
610
,
472
(
2022
).
62.
K.
Frye
et al,
EPJ Quantum Technol.
8
(
1
),
1
(
2021
).
63.
I.
Alonso
et al,
EPJ Quantum Technol.
9
,
30
(
2022
).
You do not currently have access to this content.