[論文レビュー] Fast Quantum Interference of a Nanoparticle via Optical Potential Control

Lukas Neumeier, Mario A. Ciampini+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2022

Quantum Information and Cryptography被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、パルス状の光学ポテンシャルを用いて、浮上したナノ粒子の非ガウス型量子重ね合わせ状態を生成・検出するプロトコルを提案する。短時間にわたる変動する三次および二次ポテンシャルを適用することで、室温および10⁻¹⁰ mbarの超高真空下で、6×10⁸ uのケイ酸ガラスナノ粒子が数ナノメートルのスケールでミリ秒未塔の時間内に物質波干渉を示すことが可能となり、内部準位や射影測定を必要としない。

ABSTRACT

We introduce and theoretically analyze a scheme to prepare and detect non-Gaussian quantum states of an optically levitated particle via the interaction with a light pulse that generates cubic and inverted potentials. We show that this allows operating on short time- and lengthscales, which significantly reduces the demands on decoherence rates in such experiments. Specifically, our scheme predicts the observation of interference of nanoparticles with a mass above $10^8$ atomic mass units delocalised over several nanometers, on timescales of milliseconds, when operated at vacuum levels around $10^{-10}$~mbar and at room temperature. We discuss the prospect of using this approach for coherently splitting the wavepacket of massive dielectric objects using neither projective measurements nor an internal level structure.

研究の動機と目的

• 内部準位や射影測定を一切用いずに、光学ポテンシャル制御のみで大質量の誘電体ナノ粒子における非ガウス型量子状態の準備と検出を可能にすること。
• ミリ秒スケールの時間およびナノスケールの長さでデコherenceを低減することで、室温下での動作を現実可能にする。
• 内部自由度や外部非線形性に依存せずに、粒子のサイズを越えて波動関数をコherentに分割すること。
• 浮上光学力学におけるマクロな量子重ね合わせ状態の生成とプローブを可能にする、プラットフォームに依存しない理論的枠組みを提供すること。
• 特に真空圧力と温度を含む環境条件が、大規模ナノ粒子における干渉の観測可能性に与える影響を特定すること。

提案手法

• ナノ粒子を調和ポテンシャル内で基底状態に冷却し、その後自由拡散を施して空間的コherencteを増大させるプロトコルから始める。
• 三次元光学ポテンシャル（V ∝ x³）によるパルス的相互作用が、波動関数に非線形位相を印加し、波長未満の回折格子に類似した効果をもたらす。
• 得られる運動量空間の干渉縞は、二度目の自由拡散を経て位置空間にマッピングされ、干渉パターンの検出が可能になる。
• 最終段階で逆向きのポテンシャルを適用することで、縞の間隔を検出可能なスケールに拡大し、信号の可視性を向上させる。
• 光学ポテンシャルとの相互作用時間を最小限に抑え、パルス間は自由拡散に依存することで、デコherenceを回避する。
• 理論的分析にはWigner関数とコherencte長さ基準を用い、非ガウス性および波動関数の拡散を定量的に評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 内部準位や射影測定を一切用いずに、パルス状光学ポテンシャルのみで大質量ナノ粒子における非ガウス型量子重ね合わせ状態を生成可能か？
• RQ2 室温下で質量 >10⁸ u のナノ粒子の物質波干渉を観測するための最小限のデコherence要件は何か？
• RQ3 コherencteを保ったまま、波動関数をどの程度まで拡散可能か。また、その拡散は粒子の直径を越えることができるか？
• RQ4 現実的な超高真空条件下で、粒子サイズと環境温度が干渉パターンの観測可能性に与える影響は何か？
• RQ5 光学ポテンシャルを用いて、粒子のサイズを越えて波動関数をコherentに分割可能か。その場合に必要な環境条件は何か？

主な発見

• 本手法は、半径50 nmの6×10⁸ uのケイ酸ガラスナノ粒子に対して、室温および10⁻¹⁰ mbarの超高真空下で、約3 msの時間内に数ナノメートルのスケールで観測可能な量子干渉を予測している。
• 干渉パルス前のコherencte長さは約6.6 nm（≒713 zitterbewegung単位）と推定され、非ガウス状態生成に十分な空間的コherencteが確保されていることが確認された。
• 室温下の50 nm半径の粒子に対しては、気体衝突に起因するデコherenceを抑制するため、真空圧力が約10⁻¹⁰ mbar未満である必要がある。
• 冷却環境では、はるかに大きな重ね合わせ状態の観測が可能であり、粒子の直径を越えてコherentに分割可能であることが示された。
• 粒子の直径を越えて波動関数をコherentに分割することは理論的に可能であるが、その実現には数秒のプロトコル時間と極めて低いデコherenceレートが要求される。
• 本プロトコルは光子の反動に対しても頑健であり、外部キュービットや内部準位への結合を必要としないため、マクロな量子制御のためのスケーラブルでプラットフォームに依存しない手法である。