[論文レビュー] A proposed test of quantum mechanics with three connected atomic clock transitions

Mark G. Raizen, Gerald Gilbert+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2022

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ひとこと要約

本論文は、捕獲イオンおよび中性原子における三つの連結した原子時計遷移を用いて、スティーブン・ワインバーグの非線形量子力学が予測するずれを検出するためのテストを提案する。現代の原子時計の高精度を活用し、非線形量子力学の兆候を検出する。主な貢献は、226Ra+、40Ca+、171Ybといった現実的な実験系を同定し、その中で171Ybが標準量子力学を超える新しい物理を調べる上で最高の感度を示すことを示したことである。

ABSTRACT

We consider possible extensions to quantum mechanics proposed by Steven Weinberg, and re-analyze his prediction of a new test based upon three atomic clocks in the same atom. We propose realistic experimental systems where this hypothesis can be tested. Two systems already set limits on deviations from quantum mechanics, while with another system, one would be able to search for new physics at the limit of sensitivity of the best atomic clocks.

研究の動機と目的

• スティーブン・ワインバーグの2016年の仮説、すなわち量子力学が非線形である可能性があり、そのずれが原子時計遷移によって検出可能であることを検証すること。
• 三つの連結した時計遷移が存在する現実的な実験系を同定し、ワインバーグの予測を直接的にテスト可能にする。
• 226Ra+および40Ca+の既存データが、標準量子力学からのずれに関する初期限界をすでに提供していることを確立すること。
• 中性171Yb原子を次世代のプラットフォームとして提案し、非線形量子力学効果の超高精度テストが可能であることを示すこと。
• 波動関数の収束や時間の矢といった基礎的問題を解消する可能性を秘めた、量子力学の根本的拡張を実験的に検証可能にする

提案手法

• 非線形量子力学の拡張をモデル化するため、リンブレート形式を用い、二つの時計遷移周波数の和（1+2）が第三の周波数（3）に等しくならないことを予測する。
• |A⟩→|B⟩（1）、|B⟩→|C⟩（2）、|A⟩→|C⟩（3）の三つの遷移がつながったエネルギー準位系（閉じた三角形）を有する原子系を選択する。
• 特に電気四極子遷移および電気双極子遷移を含む高精度の時計遷移に焦点を当て、捕獲イオンおよび中性原子におけるレーザー分光法で測定する。
• 226Ra+および40Ca+における既存の高精度測定を活用し、周波数の加法性のずれ（1+2≠3）に対する現在の実験的限界を設定する。
• 長寿命で高精度な時計遷移を有する171Yb原子を、光学格子および単一イオン捕獲に適した優れたプラットフォームとして提案する。
• 周波数シフトの非対称性や量子干渉効果といった実験的複雑性が時計読み取りに影響を与える可能性があり、慎重にモデル化する必要がある

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 三つの連結した原子時計遷移を用いた実験で、標準量子力学の予測（1+2=3）からのずれ（1+2≠3）を検出可能か？
• RQ2 どの原子系がワインバーグの非線形量子力学仮説をテストする上で最も好適な条件を提供するか？
• RQ3 226Ra+および40Ca+における既存測定が、量子力学の非線形性をどの程度まで制限しているか？
• RQ4 171Yb原子を用いた今後の実験で、量子力学の感度の最前線をどのように最適化できるか？
• RQ5 量子干渉やライン形状の非対称性といった主要な系統的効果が、このような実験で制御されなければならないか？

主な発見

• 1つの捕獲226Ra+イオンからの既存データは、周波数の加法性のずれ（1+2≠3）の証拠を示さず、現在の精度限界は約30 MHzである。
• 40Ca+イオンの測定は、周波数加法性からのずれに対して、わずか100 kHzのきつい限界を設定しているが、依然として最高精度の原子時計の水準には達していない。
• 171Yb系は、相対周波数精度10^-18レベルで非線形量子力学効果を調べる可能性を有する次世代のプラットフォームとして提案されている。
• 本論文は、三つの高精度時計遷移を持つシステム——理想的にはすべて電気四極子遷移、またはよく特徴付けられた遷移——でのみ、ワインバーグの仮説の明確なテストが可能であると同定している。
• 著者らは、今後の171Yb原子実験が、現在の原子時計技術の感度の最前線で、標準量子力学を超える新しい物理をテストできると結論づけている。
• 本研究は、現在のRa+およびCa+のデータが有用な限界を提供している一方で、唯一171Ybのような系が、決定的なテストに必要な安定性、コherーランス、および精度の組み合わせを提供すると強調している。