[論文レビュー] Testing Quantum Gravity with a Single Quantum System

Richard Howl, Vlatko Vedral+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2020

Quantum Mechanics and Applications被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、連続変数量子情報理論（CVQIT）を用いて、1つの巨大な量子系における非ガウス性を検出することにより、量子重力（QG）のための卓上実験を提案する。従来の複数の系間のもつれに依存する提案とは異なり、本手法は1つの系の重ね合わせ状態において生成される非ガウス性——普遍的量子計算のための資源——を介してQG効果を検出する。これにより、局所的相互作用や多粒子もつれに依存しない独立したテストが可能となる。

ABSTRACT

Until recently, table-top tests of quantum gravity (QG) were thought to be practically impossible. However, due to a radical new approach to testing QG that uses principles of quantum information theory (QIT) and quantum technology, such tests now seem, remarkably, within sight. In particular, a promising test has been proposed where the generation of entanglement between two massive quantum systems, both in a superposition of two locations, would provide evidence of QG. In QIT, quantum information can be encoded in discrete variables, such as qubits, or continuous variables. The latter approach, called continuous-variable QIT (CVQIT), is extremely powerful as it has been very effective in applying QIT to quantum field theory. Here we apply CVQIT to QG, and show that another signature of QG would be the creation of non-Gaussianity, a continuous-variable resource that is necessary for universal quantum computation. In contrast to entanglement, non-Gaussianity can be applied to a single rather than multi-partite quantum system, and does not rely on local interactions. We use these attributes to describe a table-top test of QG that is based on just a single quantum system in a single location.

研究の動機と目的

• 量子情報の原則を用いて、実現可能で卓上での量子重力のテストを開発すること。
• 複数の系間のもつれや局所的相互作用を必要とする従来のQGテストの制限を克服すること。
• 非ガウス性——連続変数の資源——が、1つの量子系において量子重力の兆候として機能できることを示すこと。
• 多粒子もつれや局所的相互作用に依存しないQGのテストを可能とし、実験の実現可能性を高めること。

提案手法

• 連続変数量子情報理論（CVQIT）を量子重力に適用し、非ガウス性を検出可能な兆候として焦点を当てる。
• 2つの空間的位置の重ね合わせ状態に準備された1つの巨大な量子系をモデル化する。
• 量子場理論の枠組みを用いて、重力的相互作用によって生じる非ガウス性の生成を分析する。
• 非ガウス性が、もつれや局所的操作を必要とせず、1つの系で測定可能である資源として特定すること。
• プロトコルにおいて局所的相互作用が存在しないことを活かして、デコherenceや測定の複雑さを回避すること。
• 非ガウス性が、1つの系における量子重力的効果によってのみ生成されるテストプロトコルを設計すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つの巨大な量子系における非ガウス性は、量子重力の検出可能な兆候として機能できるか？
• RQ2 複数の系間のもつれに依存せずに、量子重力をテストすることは可能か？
• RQ3 連続変数量子情報理論は、どのようにして量子重力の卓上テストを可能にするか？
• RQ4 現実的な量子技術の制約のもとで、重力的相互作用が1つの系において非ガウス性を生成できるか？
• RQ5 1つの系における非ガウス性を用いた量子重力の検出に必要な最小限の物理的要件は何か？

主な発見

• 重力的相互作用により、1つの巨大な量子系において非ガウス性が生成され、これは量子重力の兆候として機能する。
• 提案されたテストでは、複数の系間のもつれを必要とせず、実験の複雑さが低減される。
• 非ガウス性は普遍的量子計算のための資源であり、物理的に意味があり、測定可能な量である。
• 局所的相互作用に依存しないため、デコherenceのリスクが低減され、実現可能性が向上する。
• プロトコルにより、重ね合わせ状態にある1つの量子系のみを用いて、卓上での量子重力テストが可能となる。
• 連続変数量子情報理論は、単一系における量子重力効果の検出に堅牢なフレームワークを提供する。