[論文レビュー] Is Gravity Quantum?

Maryam Bahrami, Angelo Bassi+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2015

Quantum Mechanics and Applications参考文献 1被引用数 17

ひとこと要約

本論文は、質量の大きな物体が空間的に重ね合わせ状態にある際の重力場を測定することで、重力が量子的であるかどうかを検証するオプトメカニカル実験を提案する。量子重力理論では重力場の重ね合わせが予測されるが、古典的重力理論ではそうではない。現在の実験限界に近い感度で、変位感度の差が検出可能であると見積もられ、量子重力の実験的検証に現実的な道筋を提示する。

ABSTRACT

What gravitational field is generated by a massive quantum system in a spatial superposition? This is one of the most important questions in modern physics, and after decades of intensive theoretical and experimental research, we still do not know the answer. On the experimental side, the difficulty lies in the fact that gravity is weak and requires large masses to be detectable. But for large masses, it becomes increasingly difficult to generate spatial quantum superpositions, which live sufficiently long to be detected. A delicate balance between opposite quantum and gravitational demands is needed. Here we show that this can be achieved in an optomechanics scenario. We propose an experimental setup, which allows to decide whether the gravitational field generated by a quantum system in a spatial superposition is the superposition of the two alternatives, or not. We estimate the magnitude of the effect and show that it offers good perspectives for observability. Performing the experiment will mark a breakthrough in our understanding of the relationship between gravity and quantum theory.

研究の動機と目的

• 質量の大きな量子系が空間的に重ね合わせ状態にある際の重力場を調べることで、重力が根本的に量子的であるかどうかを特定すること。
• 重力場が二つの配置の重ね合わせである量子重力の状況と、重力場が統計的平均である古典的重力の状況を区別すること。
• 現在または近い将来の実験感度で、重力の量子的特徴を検出可能な実現可能なオプトメカニカル設定を設計すること。
• 実験に必要なパラメータを定量的に評価し、量子重力効果の観測可能性を推定すること。

提案手法

• 実験では、質量 m₁ のミクロ的系 S1 を x 軸に沿って二つの波束が重ね合わされた空間的重ね合わせ状態に準備する。
• 第二のプローブ系 S2（質量 m₂）を用いて、S1 が生成する重力場を測定し、非重力的相互作用を最小限に抑える。
• 重力相互作用は線形化重力でモデル化され、S2 の反応はオプトメカニカルキャビティ内の機械的変位によって分析される。
• 主な観測量は、量子重力と古典的重力の二つの状況における変位分散の差であり、指標 Θ で定量化される。
• 系はサイドバンドが分解されない極限（κ ≫ ω₂）で解析され、最適なずれ Θ* の簡単化された式が得られる。
• 最適な設定は S2 の機械的振動数 ω₂ で得られ、高い機械的品質因子と低周波数が信号対雑音比を最大化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量の大きな量子系が空間的に重ね合わせ状態にある際、その生成する重力場は量子的位相整合性を示すのか、それとも古典的性質を示すのか？
• RQ2 現実的なオプトメカニカル実験装置において、量子重力と古典的重力の予測に測定可能な差が観測可能か？
• RQ3 量子重力と古典的重力を区別するための最小限の実験的要件（質量、距離、周波数、感度）は何か？
• RQ4 信号強度は質量、分離距離、機械的品質因子などの系パラメータにどのように依存するか？
• RQ5 非常に弱い結合とヴァン・デル・ワールス力などの競合力がある中でも、現在のオプトメカニカル技術で予測された量子重力効果を検出可能か？

主な発見

• 最適な信号ずれ Θ* は、d_y = 10⁻⁶ m の場合約 1.3 × 10⁻⁹ G、d_y = 10⁻⁸ m の場合約 1.3 × 10⁻⁵ G と推定され、系のパラメータに依存する。
• 信号はプローブ系の機械的振動数 ω₂ で最大となり、Θ* ∝ 1/(ω₂ γ_m) と比例するため、低周波数・高品質因子の振動子が好ましい。
• 現在の変位感度が 10⁻¹⁸ m/√Hz に近づいており、予測された量子重力効果は近い将来のオプトメカニカル実験で達成可能である。
• 必要な実験的条件は技術的に要求が厳しいが、カーボンナノチューブやグラフェンシートなどのナノメカニカル系を用いれば実現可能である。
• ヴァン・デル・ワールス力が課題ではあるが、既存の抑制手法により実験の実現可能性が保証される。
• 指標 Θ/G は ω = ω₂ で最大となり、理論的最適化が確認され、実験設計の妥当性が裏付けられる。