[論文レビュー] Macroscopic quantum test with bulk acoustic wave resonators

Björn Schrinski, Yu Yang+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2022

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、サファイア結晶内のボリューム音響波共振子を用いて、これまでで最もマクロスケールの量子状態を実証した。1 μgの機械的モードにおいてWigner関数の負の値を直接測定し、マクロスケール指標μ = 11.3を達成した。この実験はマイクログラムスケールでの古典的記述を排除し、デコherence率に関するベイズ推論を用いて、自己収縮モデルに対する制約を設定した。

ABSTRACT

Recently, solid-state mechanical resonators have become a platform for demonstrating non-classical behavior of systems involving a truly macroscopic number of particles. Here, we perform the most macroscopic quantum test in a mechanical resonator to date, which probes the validity of quantum mechanics at the microgram mass scale. This is done by a direct measurement of the Wigner function of a high-overtone bulk acoustic wave resonator mode, monitoring the gradual decay of negativities over tens of microseconds. While the obtained macroscopicity of $μ= 11.3$ is on par with state-of-the-art atom interferometers, future improvements of mode geometry and coherence times could confirm the quantum superposition principle at unprecedented scales.

研究の動機と目的

• マクログラムスケールでの量子力学の妥当性を、マクロリアリスティックな修正理論と比較して検証すること。
• 約10^16個の原子が coherent 動きを示す機械的共振子における真正の量子的挙動を実証すること。
• Wigner関数の負の値とデコherence率に関するベイズ推論を用いて、マクロスケール指標のベンチマークを確立すること。
• 非干渉的熱加熱測定を用いて、自己収縮モデル（例：CSL）に対する改善された制約を設定すること。
• 将来の電磁機械的システムの設計を、より大きなスケールでの量子重ね合わせの検証に向け導くこと。

提案手法

• 超伝導キュービットが、圧電層を介してサファイア結晶内の高オーバートーン音響モードと結合され、量子状態の準備と読み出しが可能になった。
• 量子状態の条件付きダイナミクスを用いて、キュービットによる変位パリティ測定を実行し、フォノンモードのWigner関数を再構成した。
• 測定データにベイズ推論を適用し、マクロリアリスティックな修正を定量化する最大許容拡散率Γを推定した。
• 推定されたΓに基づき、排除された最大コherenct 時間τₑの対数からマクロスケール指標μを導出した。
• 観測されたすべての拡散がマクロリアリスティック収縮に起因すると仮定し、τₑおよびΓの保守的制約を提供した。
• 理論的モデリングにより、緩和率(γ↓)と拡散率(Γ)を考慮し、測定された熱励起状態と自己収縮モデルの除外限界を関連づけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非古典的状態の特徴を用いて、機械的共振子で達成された最大のマクロスケール指標μは何か？
• RQ2 有効質量1 μg、コherenct 時間40 μsまでの機械的モードで、Wigner関数の負の値が観測可能か？
• RQ3 ボリューム音響共振子における非干渉的熱加熱測定を用いて、自己収縮モデルはどの程度まで排除可能か？
• RQ4 共振子の幾何学的形状は、将来のマクロスケール量子状態の検証にどのような影響を及えるか？
• RQ5 原子の部分的核外分離を伴う系に対しても、マクロスケール指標μは意味的に適用可能か？

主な発見

• 本実験では、これまでで最もマクロスケールの量子状態を達成し、μ = 11.3を実現した。
• 1 μgのボリューム音響モードで、最大40 μsにわたりWigner関数の負の値が観測され、非古典的挙動が確認された。
• 測定された緩和率γ↓ ≈ 1/T₁から、長さスケール5 × 10⁻⁷ mにおいて、τₑ < 1.9 × 10¹¹ sが除外された。
• 最大次元なし拡散率Γは0.016γ↓と推定され、1.6%の熱励起状態と整合的であった。
• 理論的モデリングにより、拡散率Γがモードの幾何学的形状と材料パラメータに比例することが確認され、将来の実験の最適化が可能となった。
• 最近の非干渉的自己収縮モデル検証の提言と一致し、ボリューム共振子における拡散率の式も正確に一致した。