[論文レビュー] Loss of coherence of matter-wave interferometer from fluctuating graviton bath

Marko Toroš, Anupam Mazumdar+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2020

Quantum Mechanics and Applications参考文献 47被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、量子重力子浴に結合する非相対論的物質波干渉計におけるデコherenceを検討し、1頂点ファインマン図による重力子放出が、エネルギー運動量保存を満たすdephasingを 𝒪(c⁻²) のオーダーで引き起こすことを示している。エンタングルメントが生じないにもかかわらず、その結果としてのデコherenceは極めて弱く、中間スケールの物質波干渉計や、2つの干渉計のエンタングルメントを用いた量子重力の実験的検証を目的とした実験においては無視できる。

ABSTRACT

In this paper we consider non-relativistic matter-wave interferometer coupled with a quantum graviton bath $\mathord{-}$ and discuss the loss of coherence in the matter sector due to the matter-graviton vertex. First of all, such a process does not lead to any entanglement, but nonetheless the on-shell scattering diagram can lead to loss of coherence as we will show. Importantly, we will show that graviton emission is the only one-vertex Feynman-diagram $\sim\sqrt{G}$ which is consistent with the conservation of energy and momentum at the dominant order $\sim\mathcal{O}(c^{-2})$. We will find that the resulting dephasing is extremely mild and hardly places any constraints on matter-wave interferometers in the mesoscopic regime. In particular, the show that the corresponding loss of coherence in the recently proposed experiment which would test quantum aspects of graviton $\mathord{-}$ via entanglement of two matter-wave interferometers $\mathord{-}$ is completely negligible.

研究の動機と目的

• 非相対論的物質波干渉計における、量子重力子浴への結合がコherencyに与える影響を分析すること。
• このような結合がエンタングルメントを引き起こすのか、それとも単なるdephasingを引き起こすのかを特定すること。
• 物質波干渉計実験における量子重力効果の観測可能性を評価すること。
• 重力子と物質を含む唯一の整合的で1頂点のファインマン図が、𝒪(c⁻²) のオーダーでエネルギー保存と運動量保存を満たすデコherenceの強さを評価すること。

提案手法

• 物質波干渉計を、物質-重力子頂点を介して量子化された重力子の浴と結合する量子系としてモデル化する。
• 摂動的量子場理論を用いて、オンシェル散乱図を用いてデコherenceの一次近似寄与を計算する。
• エネルギーと運動量保存を満たす唯一の1頂点ファインマン図を特定し、𝒪(c⁻²) のオーダーで重力子放出が成立することを示す。
• 密度行列形式を用いて物質系におけるデコherence率を計算する。
• 得られたdephasing率を中間スケール系における実験的感度スケールと比較する。
• 2つの干渉計のエンタングルメントを用いて重力の量子的側面を検証することを目的とした最近の実験への影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 物質波干渉計における量子重力子浴への結合は、物質と重力子の間でエンタングルメントを引き起こすか？
• RQ2 𝒪(c⁻²) のオーダーでエネルギーと運動量を保存する重力子と物質を含む唯一の主要な1頂点ファインマン図は何か？
• RQ3 このプロセスによって生じる物質系におけるデコherence効果の強さはどの程度か？
• RQ4 中間スケールの物質波干渉計で、この重力子誘発デコherenceを検出可能か？
• RQ5 2つの干渉計のエンタングルメントを用いた量子重力の検証を目的とした実験に、このデコherence率が顕著な影響を及ぼすか？

主な発見

• 𝒪(c⁻²) のオーダーでエネルギーと運動量保存を満たす唯一の1頂点ファインマン図は重力子放出である。
• エンタングルメントが生じないにもかかわらず、このプロセスは物質系に非ゼロのdephasing率を引き起こす。
• その結果としてのdephasingは極めて弱く、中間スケールの物質波干渉計では無視できる。
• デコherence率は、現在または近い将来の物質波干渉計実験における観測的制約を課すにはあまりに小さい。
• 2つの干渉計のエンタングルメントを用いて重力子の量子的側面を検証することを目的とした提案実験においても、このdephasing効果は完全に無視できる。
• このオーダーで保存則を満たす他の1頂点図は存在せず、重力子放出が支配的源であることが確認された。