[論文レビュー] Diosi-Penrose criterion for solids in quantum superpositions and a single-photon detector

Garrelt Quandt-Wiese|arXiv (Cornell University)|Jan 2, 2017

Mechanical and Optical Resonators参考文献 18被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、固体の量子重ね合わせ状態にDiosi-Penrose基準を適用するための式を構築し、微視的質量分布と巨視的形状の両方を考慮する。実験的に、孤立した1光子アバランチフォトダイオードが、ピエゾアクチュエータを用いてデコherence時間をマイクロ秒から数秒に調整可能であるため、重力誘発波動関数収束の制御されたテストが可能であることが示された。

ABSTRACT

A formulary for the application of the Diosi-Penrose criterion to solids in quantum superpositions is developed, which takes the solid's microscopic mass distribution (resulting from its nuclei) and its macroscopic shape into account, where the solid's states can differ by slightly different positions or extensions of the solid. For small displacements, smaller than the spatial variation of the solid's nuclei, the characteristic energy of the Diosi-Penrose criterion is mainly determined by the mass distribution of the nuclei. For large displacements, much larger than the solid's lattice constant, the solid can be idealised as a continuum, and the characteristic energy depends on the solid's shape and the direction of the displacement. In Diosi's approach, in which the mass density operator has to be smeared, the solid's microscopic mass distribution plays no role. The results are applied to a special single-photon avalanche photodiode detector, which interacts as little as possible with its environment. This is realised by disconnecting the detector from the measurement devices when it is in a superposition, and by biasing the photodiode by a plate capacitor, which is charged shortly before the photon's arrival. For a suitable choice of components, the detector can stay in a superposition for seconds; its lifetime can be shortened to microseconds with the help of a piezoactuator, which displaces a mass in the case of photon detection.

研究の動機と目的

• 固体の量子重ね合わせ状態にDiosi-Penrose基準を適用するための式を構築し、微視的質量分布と巨視的形状の両方を組み込むこと。
• 格子定数に対して、微視的と巨視的スケールの変位における基準エネルギーの依存関係を分析すること。
• 環境との結合を最小限に抑えた1光子検出器を設計し、量子重力効果のテストに適した長寿命の重ね合わせ状態を実現すること。
• 実験的に、重ね合わせ状態を数秒間維持し、ピエゾアクチュエータを用いてそれをマイクロ秒レベルに短縮可能であることを示すこと。

提案手法

• 微小な変位において、原子核の位置が重要となるため、固体の質量分布に基づいてDiosi-Penrose基準の特徴エネルギーを導出する。
• 大きな変位を連続体としてモデル化し、形状と変位方向が特徴エネルギーに与える影響を示す。
• 最小限の環境結合を実現するため、コンデンサのバイアスと重ね合わせ中の接続切断を用いて、1光子アバランチフォトダイオードに形式を適用する。
• 光子検出時にピエゾアクチュエータを用いて質量を制御的に変位させ、デコherence時間の調整を可能にする。
• Diosiのアプローチにおける質量密度演算子（微視的詳細がなめらかに平均化される）を検討し、本稿の形式が原子核構造に敏感である点と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 微小な変位において、固体の質量分布がDiosi-Penrose基準の特徴エネルギーにどのように依存するか？
• RQ2 大きな変位において、巨視的形状と変位方向は特徴エネルギーにどのように影響するか？
• RQ3 環境との相互作用を最小限に抑えた1光子検出器を設計し、数秒間の重ね合わせ状態を維持できるか？
• RQ4 機械的変位を用いて、その検出器のデコherence時間はどの程度制御可能か？

主な発見

• 原子核の空間的変動よりも小さい変位では、特徴エネルギーは主に固体の原子核分布に依存する。
• 格子定数よりもはるかに大きな変位では、固体は連続体として振る舞い、特徴エネルギーは固体の形状と変位方向に依存する。
• 測定装置から切り離され、光子到着直前にプレートコンデンサでバイアスされた状態で、検出器は数秒間重ね合わせ状態を維持できる。
• 光子検出時にピエゾアクチュエータを用いて質量を変位させることで、デコherence時間をマイクロ秒レベルに短縮できる。
• 本形式は、Diosiの元来の平均化アプローチでは無視される、Diosi-Penrose基準における微視的質量分布を考慮している。