[論文レビュー] Full distribution functions of quantum noise in an interacting many-body system

Sebastian Hofferberth, Igor Lesanovsky+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2007

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、1次元ボーズ・アインシュタイン凝縮を用いて、相互作用する多体系における量子ノイズの完全な分布解析を初めて実験的に実現した。さまざまな系サイズにおけるショットごとの干渉縞のコントラストを測定することで、ポisson型からガブリエル型へのノイズ分布のクロスオーバーを観測し、ラッティンガー液体理論における量子揺らぎおよび準長距離秩序の存在を確認した。

ABSTRACT

The probabilistic character of the measurement process is one of the most puzzling and fascinating aspects of quantum mechanics. In many-body systems quantum mechanical noise reveals non-local correlations of the underlying many-body states. Here, we provide a complete experimental analysis of the shot-to-shot variations of interference fringe contrast for pairs of independently created one-dimensional Bose condensates. Analyzing different system sizes we observe the crossover from thermal to quantum noise, reflected in a characteristic change in the distribution functions from Poissonian to Gumbel-type, in excellent agreement with theoretical predictions based on the Luttinger liquid formalism. We present the first experimental observation of quasi long-range order in one-dimensional atomic condensates, which is a hallmark of quantum fluctuations in one-dimensional systems. Furthermore, our experiments constitute the first analysis of the full distribution of quantum noise in an interacting many-body system.

研究の動機と目的

• 相互作用する多体系における量子ノイズの完全な確率分布を実験的に特徴づけること。
• 1次元超低温原子ガスにおける熱的ノイズから量子ノイズへの遷移を調査すること。
• 1次元系における量子揺らぎの特徴である準長距離秩序の存在を統計的手法で探ること。
• 干渉コントラストの完全な統計解析に基づいて、ラッティンガー液体理論による理論的予測を検証すること。
• 強い相関を持つ量子系における量子ノイズ分布のベンチマークを確立すること。

提案手法

• 制御されたトラップ幾何学において、独立に作成された1次元ボーズ・アインシュタイン凝縮のペアを準備した。
• 時間飛行拡張を実行し、干渉縞を測定してショットごとのコントラスト値を抽出した。
• 複数回の実験ランで干渉コントラストの統計データを収集し、完全な確率分布を再構成した。
• 系サイズを系統的に変化させ、ポアソン型からガブリエル型へのノイズ分布のクロスオーバーを観測した。
• 実験的分布をラッティンガー液体形式からの理論的予測と比較した。
• 分布関数の形状とスケーリングを分析し、量子ノイズと熱的ノイズの特徴を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1次元ボーズ・アインシュタイン凝縮において、干渉縞コントラストの完全な分布は系サイズに伴ってどのように変化するか？
• RQ2 相互作用する多体系における量子ノイズを記述する統計分布は何か？また、熱的ノイズとはどのように異なるか？
• RQ3 干渉コントラストの統計から、準長距離秩序を実験的に観測できるか？
• RQ4 実験的ノイズ分布は、ラッティンガー液体理論に基づく理論的予測とどの程度一致するか？
• RQ5 1次元相互作用系における熱的ノイズから量子ノイズへの遷移の本質は何か？

主な発見

• 干渉縞コントラストの完全な分布は、系サイズが増加するに従いポアソン型からガブリエル型に移行し、熱的ノイズから量子ノイズへのクロスオーバーを示している。
• 観測されたガブリエル型分布は、ラッティンガー液体形式からの理論的予測と非常に良好に一致している。
• 実験データは、1次元原子凝縮系における準長距離秩序の最初の直接的証拠を提供している。
• 本研究では、1次元系の強い相関領域において、量子揺らぎがノイズ統計を支配していることが確認された。
• 相互作用する多体系における量子ノイズの完全な統計解析が、初めて実験的に実現された。
• 結果は、ノイズ分布の形状が、低次元量子系における多体相関の根本的情報を保持していることを示している。