[論文レビュー] Schr\"{o}dinger cat states of a macroscopic charged particle co-trapped with an ion

Sebastian Leontica, C. J. Foot|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2021

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 44被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、マイクロサイズの荷電粒子とレーザー冷却可能な原子イオンをポールトラップ内で共捕獲することで、シュレーディンガーの猫状態（明確に分離した空間状態のマクロな重ね合わせ）を生成・探査するハイブリッド量子系を提案する。トラップドアイオントラップ技術で発展したレーザー制御技術を活用することで、質量の大きな粒子の運動状態を高精度で操作・測定可能となり、マクロサイズの指標 M = 17 を達成する。これにより、ダイナミカルリダクションモデルの検証と、量子センシング分野の前進が可能となる。

ABSTRACT

We investigate the feasibility of observing matter-wave interference of a micron-sized charged particle by putting it into a quantum superposition of states with a distinguishable separation. In the proposed method, an atomic ion is confined in a linear Paul trap along with the massive charged particle so that we can make use of the extensive toolbox of experimental techniques developed to control quantum states of trapped ions, and to manipulate their motions with high fidelity operations. This approach provides a stringent test of the predictions of dynamical reduction models of delocalised quantum superpositions of a particle, reaching macroscopicities of up to $\mathcal{M}=17$.

研究の動機と目的

• 質量の大きな荷電粒子のマクロな量子重ね合わせ状態を準備・検出する実現可能な道筋を示すこと。
• トラップドアイオン量子制御技術を、約 10^9 u の質量を持つマクロな荷電粒子へと拡張すること。
• CSL などのダイナミカルリダクションモデルの予測を、質量の大きな粒子の空間重ね合わせにおける干渉を観測することで検証すること。
• マクロな量子状態を用いた高感度量子センサーのプラットフォームを構築すること。

提案手法

• 線形ポールトラップが、マイクロサイズの荷電粒子（質量 ~1.7×10^{-18} kg）と、レーザー冷却可能な荷電イオン（例：Yb+）を同時に捕獲する。
• 両粒子間の静電的相互作用により、運動モードが結合され、イオンが質量の大きな粒子の制御のための「量子ハンドル」として機能する。
• トラップドアイオントラップ量子情報処理から得られた、冷却と状態準備技術を、イオンの内部状態および運動状態の制御に適応する。
• 系の振動モードは、結合された調和振動子としてモデル化され、クーロン相互作用によってエンタングルメントと状態転送が可能となる。
• イオンの励起状態を制御するための、レーザー駆動 Rabi 振動およびサイドバンド遷移を用いて、質量の大きな粒子の運動状態を間接的に制御する。
• 制御された時間発展後にイオンの状態を測定することで、質量の大きな粒子の波動関数における干渉をプローブし、重ね合わせ状態およびデコherence効果を明らかにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量の大きな荷電粒子を、レーザー冷却イオンを制御ハンドルとして用いて、空間重ね合わせ状態に準備できるか？
• RQ2 このようなハイブリッド系において、質量の大きな粒子が達成可能な最大のマクロサイズ（M）は何か？
• RQ3 系のデコherence率は、環境相互作用や CSL などのダイナミカルリダクションモデルにどのように依存するか？
• RQ4 既存のトラップドアイオン量子制御技術が、質量の大きな粒子の制御にどの程度適応可能か？
• RQ5 マイクロサイズの空間的分離を有する質量の大きな粒子において、物質波干渉を観測できるか？

主な発見

• 提案された系は、マクロサイズの指標 M = 17 を達成し、質量の大きな重ね合わせに関するこれまでの実験的ベンチマークを著しく上回る。
• 理論的解析により、イオンと質量の大きな粒子の間の静電的結合が、イオンのレーザー操作によって、後者の運動状態を効果的に制御可能であることが確認された。
• 系の振動モードは、結合振動子ハミルトニアンでよく記述され、状態転送やエンタングルメントの精密なモデル化が可能である。
• パッチ電位やブラックボディ放射などの環境からのデコherenceは、提案されたスケールで観測可能な範囲内にあると推定された。
• 質量の大きな粒子の重ね合わせ状態の高精度な準備と測定が可能であり、トラップドアイオントラップ量子情報プロトコルと同等の忠実度に近い。
• このプラットフォームは、より大きな質量へとスケーラブルであり、重力誘発崩壊や連続的自発局在（CSL）モデルの検証への実用的ルートを提供する。