[論文レビュー] A noise inequality for classical forces

Dvir Kafri, Jacob M. Taylor|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2013

Relativity and Gravitational Theory参考文献 5被引用数 17

ひとこと要約

本論文は、重力などの古典的力が仮想的力子を介して量子もつれを生成できるかどうかをテストするためのノイズに基づく不等式を提案する。マクロなオシレーターにおける線形応答と過剰ノイズの測定により、もつれ生成の実用的で非伝統的なテストが可能となり、量子重力やマクロ系における情報伝達を実験的に探る道筋を提供する。

ABSTRACT

Lorentz invariance requires local interactions, with force laws such as the Coulomb interaction arising via virtual exchange of force carriers such as photons. Many have considered the possibility that, at long distances or large mass scales, this process changes in some way to lead to classical behavior. Here we hypothesize that classical behavior could be due to an inability of some force carriers to convey entanglement, a characteristic measure of nonlocal, quantum behavior. We then prove that there exists a local test that allows one to verify entanglement generation, falsifying our hypothesis. Crucially, we show that noise measurements can directly verify entanglement generation. This provides a step forward for a wide variety of experimental systems where traditional entanglement tests are challenging, including entanglement generation by gravity alone between macroscopic torsional oscillators.

研究の動機と目的

• 古典的力がもつれを介して量子情報を伝えるかどうかを検証可能な基準を開発すること。
• 従来のベルテストが不適切となるマクロ系におけるもつれの検証の課題に対処すること。
• 直接のもつれ状態の測定を必要とせず、ねじり振動子を用いたノイズに基づく実験的手順を提案すること。
• 測定可能なノイズシグネチャを用いて、半古典的重力理論や情報保存のない理論を偽りやすい枠組みとして提供すること。
• 高Q、低周波数のオシレーターにおける過剰ノイズを用いて、量子重力を実験的にテストできるようにすること。

提案手法

• 力子を調和振動子としてモデル化し、局所的ユニタリ操作を介して量子系間の非局所的相互作用を媒介する。
• もつれ生成を抑制することで古典的性質を模倣するための「スクリーン」操作を導入し、量子的・古典的挙動の比較を可能にする。
• マコビアン極限を用いて縮約された力学を導出し、各時間ステップ後に力子が熱状態にリセットされるようにする。
• 運動量分散の時間変化率と結合定数、プランク定数を結ぶノイズ不等式（式27）を確立する。
• 信号対ノイズ比の分析（式28）を用いて、5σ検出に必要な積分時間を推定し、温度、品質因子、結合定数に依存する。
• 冷媒フィードバック技術を提案し、1/gスケールの独立したノイズサンプルを取得することで、信号検出のための積分時間を短縮する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重力のような古典的力がマクロな物体間で量子もつれを生成できるか？
• RQ2 もつれ状態の直接測定を一切行わず、ノイズと線形応答のみを用いてもつれ生成を検証することは可能か？
• RQ3 量子力子から期待される最小の過剰ノイズシグネチャは何か？ また、これは熱ノイズと区別可能か？
• RQ4 結合定数と系の品質因子は、重力による量子情報伝達の検出可能性にどのように影響するか？
• RQ5 ねじり振動子を用いたテーブルトップ実験で、ノイズ測定のみを用いて重力の量子的性質をテストできるか？

主な発見

• 式27に示されるノイズ不等式が導出され、これが破られる場合、力の法則が量子情報を伝える必要があると証明される。
• プラチナのダムベルを1 mHz、10 mKでQ ~ 10^9の条件下に置いた場合、5σ検出には約3,000年分の積分時間が必要だが、並列装置を用いることでこれを短縮可能である。
• 信号対ノイズ比はS/N ≈ (g / (n̄κ)) × √(T_int / (2τ))としてスケーリングされ、量子結合からの過剰ノイズの検出が可能になる。
• 冷媒フィードバック技術により、1/gスケールの独立したノイズサンプルが得られ、熱的緩和時間と比較して有効な積分時間を大幅に短縮できる。
• 観測されない過剰ノイズは、半古典的重力理論や情報保存のない理論を制限するが、検出が確認されれば重力が量子情報を伝える能力を裏付ける。
• 本手法は、とりわけねじり振動子を介した重力によるもつれに対して、マクロ系におけるベルテストの実用的代替手段を提供する。