[論文レビュー] An entanglement-based test of quantum gravity using two massive particles

Chiara Marletto, Vlatko Vedral|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2017

Quantum Mechanics and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、重力場が量子化されているかどうかを実験的に検証するための卓上実験を提案している。2つの巨大な粒子を重ね合わせ状態にしたとき、それらの間に生じるもつれが、重力場が量子的である証拠となる。このもつれの程度が、重力場の量子化を示す証人となる。重力フォトンや真空ゆらぎの検出を必要とせず、現実的かつ実験可能な代替手法を提供する。

ABSTRACT

All existing quantum gravity proposals share the same deep problem. Their predictions are extremely hard to test in practice. Quantum effects in the gravitational field are exceptionally small, unlike those in the electromagnetic field. The fundamental reason is that the gravitational coupling constant is about 43 orders of magnitude smaller than the fine structure constant, which governs light-matter interactions. For example, the detection of gravitons -- the hypothetical quanta of energy of the gravitational field predicted by certain quantum-gravity proposals -- is deemed to be practically impossible. In this letter we adopt a radically different, quantum-information-theoretic approach which circumvents the problem that quantum gravity is hard to test. We propose an experiment to witness quantum-like features in the gravitational field, by probing it with two masses each in a superposition of two locations. First, we prove the fact that any system (e.g. a field) capable of mediating entanglement between two quantum systems must itself be quantum. This argument is general and does not rely on any specific dynamics. Then, we propose an experiment to detect the entanglement generated between two masses via gravitational interaction. By our argument, the degree of entanglement between the masses is an indirect witness of the quantisation of the field mediating the interaction. Remarkably, this experiment does not require any quantum control over gravity itself. It is also closer to realisation than other proposals, such as detecting gravitons or detecting quantum gravitational vacuum fluctuations.

研究の動機と目的

• 重力結合定数が極めて小さいために実験的に検証が困難であるという、長年の量子重力の実験的検証の課題に取り組む。
• 重力フォトンや量子重力的真空ゆらぎの検出が現実的でないことを踏まえ、より現実的な代替手法を提案する。
• 2つの量子質量が重力によってもつれを生じさせることから、重力場が本質的に量子的であることを示す。
• 重力場の直接的制御を必要とせず、量子情報理論的枠組みを用いて量子重力を検証可能な、実験的・モデルに依存しない枠組みを提供する。

提案手法

• 2つの巨大な粒子を2つの空間的位置の重ね合わせ状態に準備し、コherentな重ね合わせ状態を形成する。
• 粒子同士が互いの重力的ポテンシャルによって相互作用させ、もつれの媒介とする。
• 量子情報の論理を適用：2つの量子系の間のもつれを媒介できる系は、その動的性質にかかわらず、自身が量子的でなければならない。
• 量子状態トモグラフィーまたは干渉計的手法を用いて、2つの質量間のもつれを測定する。
• もつれの程度を証人として用いる：非ゼロのもつれが観測されれば、重力場が量子化されていることを示す。
• 重力場の量子的制御を必要としないように実験を設計し、現在または近い将来の技術で実現可能であるようにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重力のみが媒介する2つの巨大粒子のもつれが、重力場の量子化を示す証人として機能できるか？
• RQ2 重力フォトンの検出や真空ゆらぎの測定をせず、重力場に内在する量子的性質を検出することは可能か？
• RQ3 2つの量子系の間のもつれを媒介するための最小限の要件は何であり、重力はそれを満たしているか？
• RQ4 量子情報理論的議論により、特定の力学的モデルに依存せずに重力の量子的性質を立証できるか？
• RQ5 他の量子重力実験と比較して、本実験はどの程度実現可能性に近いか？

主な発見

• 2つの量子系の間のもつれを媒介できる任意の物理系は、その動的性質にかかわらず、自身が量子的でなければならない。これは動的性質に依存しない一般的事実である。
• 重ね合わせ状態にある2つの質量間で観測されたもつれは、重力場の量子的性質を直接示す証人である。
• 本実験では重力場の量子的制御を必要としないため、重力フォトンの検出を求める提案よりも現実的である。
• 極めて弱い量子重力的効果を直接測定する必要がなく、もつれをシグネチャーとして用いることで、間接的かつ効果的に検証が可能である。
• 重力フォトンや真空ゆらぎの検出を求める他の量子重力実験と比較して、本提案は実現可能性にはるかに近い。
• 本フレームワークは、量子情報原理に基づき、モデルに依存しない強固な量子重力の証人を提供する。