[論文レビュー] Gravitationally Induced Decoherence of Optical Entanglement

Timothy C. Ralph, G. J. Milburn+1 more|ArXiv.org|Sep 18, 2006

Quantum Mechanics and Applications参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、一方の光パルスを非一様な重力場を通過させ、もう一方を一様な重力場に保つことにより、重力的要因によるデ coherent 状態の観測を目的とした実験を提案する。曲がった時空における量子場理論を用いて、著者らは、重力的赤方偏移の差によるエンタングルメントの劣化を予測しており、400 km以上の高度でデ coherent が顕著になることが示され、現実的な条件下で重力の量子的効果がエンタングルメントに与える影響を検証可能なシグネチャーを提供する。

ABSTRACT

We propose an experiment in which an entangled pair of optical pulses are propagated through non-uniform gravitational fields. A field operator calculation of this situation predicts decoherence of the optical entanglement under experimentally realistic conditions.

研究の動機と目的

• 曲がった時空における量子場理論を用いて、非一様な重力場が光学的エンタングルメントに与える影響を調査すること。
• 時間エネルギーエンタングルド光子と重力赤方偏移を用いた実験的設定を提案し、量子重力効果を探索すること。
• 重力的時間遅延によって生じるエンタングルメントのデ coherent が、実験的に測定可能であることを示すこと。
• 量子情報現象と一般相対性理論的効果を結びつける検証可能な予測を提供すること。

提案手法

• シュバルツシルト計量を用いて、変化する重力ポテンシャルに伴うモード演算子の進化をハイゼンベルク図式で扱う。
• 時間および空間におけるガウス型波形関数によって定義されるモード演算子 â†(t,x) を用いて、エンタングルド光子対をモデル化する。
• 質量体の近傍のシェルフレームにおける局所固有時間および空間間隔を考慮したユニタリな時間発展演算子を適用する。
• 等しい座標時刻に鏡を配置することで、対称的な経路長を確保する二経路干渉計設定を実装する。
• 検出演算子を発生源まで後退的に進化させ、重力的位相シフトを組み込むことで、光子数の相関を計算する。
• C ≈ χ² exp(−Δ²/dₜ² − Δ²/dₓ²) というデ coherent パrameter を導出し、非一様重力場下でのエンタングルメントの喪失を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非一様な重力場における重力赤方偏移が、時間エネルギーエンタングルド光子の測定可能なデ coherent を引き起こすか？
• RQ2 二つの経路間の重力ポテンシャルの差が、光学的エンタングルメントの量子相関の喪失を引き起こすか？
• RQ3 現在の実験技術、特にシリコンフォトンカウンタを用いても、予測されたデ coherent 効果が観測可能か？
• RQ4 検出の前に経路を入れ替えることで、この効果が逆転するか？これは真の情報損失ではなく、動的位相効果であることを示唆する。
• RQ5 光学パルスにおいて重力的デ coherent が実験的に顕著になる閾値高度は何か？

主な発見

• 非一様な重力場における重力的赤方偏移の差によって、光学的エンタングルメントの重力的デ coherent が予測される。
• 鏡の高さ h が 400 km を超えると、一致率 CN が著しく低下し、強いデ coherent が示される。
• デ coherent 効果は C ≈ χ² exp(−Δ²/dₜ² − Δ²/dₓ²) で定量的に評価され、dₜ = 10⁻⁵ m および dₓ = 10⁻³ m は典型的な実験的パルスパラメータに対応する。
• 光子の経路を入れ替えることで、原理的にはデ coherent 効果を逆転できる。
• この効果は、重力的時間遅延によるモード演算子の非自明な交換関係の変化に起因し、環境ノイズとは無関係である。
• モデルは、一様な重力場ではエンタングルメントが保存され、非一様な場では、同じ初期および最終のシェルフレームであってもエンタングルメントが喪失することを予測する。