[論文レビュー] Magnetic Skatepark for Quantum Interference of a Superconducting Microsphere

H. Pino, Jordi Prat‐Camps+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2016

Quantum Mechanics and Applications被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、磁気浮上と量子回路を用いた卓上実験を提案し、超伝導微小球（約10^13 amu）の空間的量子重ね合わせを実現することで、磁気スケートパークを介した高速量子干渉を可能にする。この方式は、重力的要因によるデコherenceモデル（Diosi-Penrose）をテストし、重力的エネルギースケールが関与する領域での誤りの可能性を提示する。

ABSTRACT

We propose and analyze an all-magnetic scheme to perform a Young's double slit experiment with a micron-sized superconducting sphere of mass $\gtrsim {10}^{13}$ amu. We show that its center of mass could be prepared in a spatial quantum superposition state with an extent of the order of half a micrometer. The scheme is based on magnetically levitating the sphere above a superconducting chip and letting it skate through a static magnetic potential landscape where it interacts for short intervals with quantum circuits. In this way, a protocol for fast quantum interferometry using quantum magnetomechanics is passively implemented. Such a table-top earth-based quantum experiment would operate in a parameter regime where gravitational energy scales become relevant. In particular, we show that the faint parameter-free gravitationally-induced decoherence collapse model, proposed by Diosi and Penrose, could be unambiguously falsified.

研究の動機と目的

• 磁気浮上を用いて、質量が大きな超伝導微小球を用いた卓上量子干渉実験を実現すること。
• 巨視的量子系を用いて、重力的エネルギースケールが量子デコherenceに与える役割を調査すること。
• DiosiとPenroseのパラメータフリーな重力的要因によるデコherenceモデルを実験室内で検証すること。
• 磁気ポテンシャル・レイアウト内での量子回路への受動的結合を用いて、高速量子干渉を実装すること。

提案手法

• 磁気浮上により、超伝導微小球が超伝導チップの上に安定して浮上し、重心自由度における安定した量子運動が可能になる。
• 静的な磁気ポテンシャル・レイアウトを設計し、微小球を二重スリットに類似した配置に誘導することで、空間的重ね合わせ状態を生成する。
• 短時間で制御された相互作用を量子回路と行い、微小球の重心をキュービットとエンタングルさせ、干渉測定を可能にする。
• 重力的エネルギースケールが顕著になるパラメータ領域でシステムが動作するため、重力に起因するデコherenceモデルに敏感である。
• 量子磁気力学を活用し、重ね合わせ状態の進化中にアクティブ制御を一切行わずに干渉を実装する。
• 理論的解析により、この方式がデコherenceに対して頑健であり、現在の超伝導回路技術で実現可能であることが示された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量約10^13 amuの超伝導微小球を、磁気浮上により約0.5 µmの広がりを持つ空間的量子重ね合わせ状態に準備できるか？
• RQ2 受動的量子回路結合を用いて、このような質量の大きな対象に対して高速量子干渉を実行できるか？
• RQ3 提案された装置により、Diosi-Penroseの重力的要因によるデコherenceモデルを明確に誤りと特定できるか？
• RQ4 この装置における巨視的量子重ね合わせのデコherenceダイナミクスにおいて、重力的エネルギースケールは果たす役割は何か？
• RQ5 磁気スケートパークのポテンシャル・レイアウトは、微小球の重心の制御された、コherentな進化をどのように実現するか？

主な発見

• 超伝導微小球は、約0.5 µmの広がりを持つ空間的量子重ね合わせ状態に、磁気浮上により準備可能であり、巨視的量子効果のテストに必要な条件を満たしている。
• 量子回路への受動的結合により、重ね合わせ状態の進化中にアクティブ制御を一切行わず、高速量子干渉を実現できる。
• 実験は、重力的エネルギースケールが顕著になるパラメータ領域で動作するため、重力に起因するデコherenceモデルに敏感である。
• DiosiとPenroseのパラメータフリーな重力的要因によるデコherenceモデルは、この装置により明確に誤りと特定できる。
• 磁気スケートパークの設計は、デコherenceに対して頑健であり、現在の超伝導回路およびナノプロセス技術で実現可能である。