[論文レビュー] Micron-size spatial superpositions for the QGEM-protocol via screening and trapping

Martine Schut, Andrew Geraci+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2023

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、磁気捕集と電磁遮蔽を用いて背景磁場によるデコherenceを抑制することで、QGEMプロトコルにおけるマイクロスケールの空間重ね合わせを生成する手法を提案する。捕集ポテンシャルが板に起因する力よりも強いことで、重ね合わせサイズを2桁小さくし、重力誘発エンタングルメントを用いた量子重力の実験的検証をテーブトップで可能にする。

ABSTRACT

The quantum gravity-induced entanglement of masses (QGEM) protocol for testing quantum gravity using entanglement witnessing utilizes the creation of spatial quantum superpositions of two neutral, massive matter-wave interferometers kept adjacent to each other, separated by a distance d. The mass and the spatial superposition should be such that the two quantum systems can entangle solely via the quantum nature of gravity. Despite being charge-neutral, there are many electromagnetic backgrounds that can also entangle the systems, such as the dipole-dipole interaction, and the Casimir-Polder interaction. To minimize electromagnetic-induced interactions between the masses it is pertinent to isolate the two superpositions by a conducting plate. However, the conducting plate will also exert forces on the masses and hence the trajectories of the two superpositions would be affected. To minimize this effect, we propose to trap the two interferometers such that the trapping potential dominates over the attraction between the conducting plate and the matter-wave interferometers. The superpositions can still be created via the Stern-Gerlach effect in the direction parallel to the plate, where the trapping potential is negligible. The combination of trapping and shielding provides a better parameter space for the parallel configuration of the experiment, where the requirement on the size of the spatial superposition, to witness the entanglement between the two masses purely due to their quantum nature of gravity, decreases by at least two orders of magnitude as compared to the original protocol paper.

研究の動機と目的

• 量子重力の検証を目的としたQGEMプロトコルの実験的実現を可能にする。
• 中性の巨大干渉計におけるカシミール・ポールダー力や電気双極子力などの電磁相互作用によるデコherenceを緩和する。
• 重力誘発エンタングルメントの検出に必要な空間的重ね合わせサイズを、電磁的背景効果を最小限に抑えることで低減する。
• 捕集ポテンシャルが板に起因する力よりも優勢となる安定した構成を設計し、重ね合わせの整合性を保つ。
• サイズ制約を低減することで、QGEM実験の並列配置を実験的に実現可能にする。

提案手法

• 2つの巨大干渉計が電磁的背景相互作用から遮蔽される導電性板の使用。
• 遮蔽板に起因する引力よりも優位な磁気捕集ポテンシャルの実装。
• 板に平行な方向におけるスティーブン・ゲルラッハ効果を用いた空間的重ね合わせの生成。この方向では捕集が無視できる。
• スピン状態が不均一磁場に結合するNVドープダイヤモンドマイクロスフィアを試料質量として採用。
• 時間的に変化する磁場を用いて重ね合わせを生成・逆転させ、干渉測定を可能にする。
• Hsuら（2016）が提案したフィードバック冷却磁気トラッププロファイルを、マイクロスケール系に適合させた応用。

Figure 3 : We show a schematic drawing of the proposed setup which involves trapping the test masses and using electromagnetic screening. The grey plane represents the conducting plate and it is assumed to be clamped. The rainbow-colored shapes represent the trapping potentials, a spherical test mas

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電磁的背景相互作用が十分に抑制されれば、テーブトップ実験で重力誘発エンタングルメントを検出可能になるか？
• RQ2 空間的重ね合わせの必要サイズをどれほど低減すれば、QGEMプロトコルの実験的実現が可能になるか？
• RQ3 遮蔽板に起因する引力を打ち消すために、重ね合わせの生成に支障をきたさない捕集ポテンシャルを設計可能か？
• RQ4 捕集磁場の存在下で、磁場の切り替えが系の安定性およびデコherenceに与える影響は何か？
• RQ5 遮蔽と捕集を組み合わせることで、背景場への感受性が低いことを考慮して、QGEMプロトコルの並列配置が実現可能か？

主な発見

• 電磁遮蔽と磁気捕集の組み合わせにより、元のQGEMプロトコルと比較して、空間的重ね合わせサイズが少なくとも2桁小さくなる。
• 捕集ポテンシャルは板に起因する力を効果的に抑制し、重ね合わせの準備および測定中にその整合性を保つ。
• 遮蔽板に平行な方向におけるスティーブン・ゲルラッハ効果により、トラップの存在下でも信頼性の高い重ね合わせの生成が可能である。
• 提案された磁場勾配（最大約10 T/m）およびスイッチング時間（約100–160 μs）は、現在のマイクロファブリケーションコイル技術で実現可能である。
• マイクロファブリケーションコイルが系に及ぼす力は約10⁻⁸ Nと推定され、現在の機械的支持システムで管理可能である。
• 本プロトコルにより、テーブトップ装置でエンタングルメントの観測を用いた重力の量子的性質の検証への実現可能性が開かれる。

Figure 4 : The figure illustrates the dipole moment of the sphere interacting with the conducting plate. The potential in eq. ( 11 ) between the sphere and the plate is found using the method of images griffiths2005introduction from eq. ( 9 ), where we assume the plate to be grounded and much longer