[論文レビュー] Testing quantum physics in space using high-mass matter-wave interferometry

Rainer Kaltenbaek|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2015

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、地球-太陽L1/L2ラグランジュ点に位置する宇宙船を用い、超高真空および低温環境を実現することで、微小重力下における高質量物質波干渉計を用いた量子力学の検証を目的としたMAQRO宇宙ミッションを提案する。誘電体ナノ球（最大約10^10 amu）を光学的に捕らえ冷却することで、巨視的スケールにおける量子重ね合わせとデコherence効果を調査し、予想されるコherency時間は約100秒、干渉可視度はコアリズムモデルや量子重力効果のテストに適している。

ABSTRACT

Quantum superposition is central to quantum theory but challenges our concepts of reality and spacetime when applied to macroscopic objects like Schrödinger's cat. For that reason, it has been a long-standing question whether quantum physics remains valid unmodified even for truly macroscopic objects. By now, the predictions of quantum theory have been confirmed via matter-wave interferometry for massive objects up to $10^4\,$ atomic mass units (amu). The rapid development of new technologies promises to soon allow tests of quantum theory for significantly higher test masses by using novel techniques of quantum optomechanics and high-mass matter-wave interferometry. Such experiments may yield novel insights into the foundations of quantum theory, pose stringent limits on alternative theoretical models or even uncover deviations from quantum physics. However, performing experiments of this type on Earth may soon face principal limitations due to requirements of long times of flight, ultra-low vibrations, and extremely high vacuum. Here, we present a short overview of recent developments towards the implementation of the proposed space-mission MAQRO, which promises to overcome those limitations and to perform matter-wave interferometry in a parameter regime orders of magnitude beyond state-of-the-art.

研究の動機と目的

• 現在の地上実験の限界を超えて、スレーティングの猫に相当する質量スケールに近い巨視的対象における量子力学の妥当性を検証すること。
• 地上実験の根本的制限、例えば短い自由落下時間、限界のある真空度、機械的振動を克服すること。
• コアリズムモデル（例：CSL、Diósi-Penrose）が予測する量子理論からの逸脱、量子重力効果、および重力時間歪みに起因するデコherenceを調査すること。
• 高質量物質波干渉を用いて、弱い相互作用を示すダークマターや重力波背景に感応すること。
• 宇宙ベースの微小重力と超低温を活用して、約100秒のコherency時間と最大約10^10原子質量単位の試験質量を達成すること。

提案手法

• 地球-太陽L1またはL2ラグランジュ点のリサジュー軌道に位置する宇宙船を用い、微小重力、超高真空（約10^13 Pa）、および被動冷却による試験領域の温度低下（約12 K）を実現する。
• 宇宙船外部に光学ベンチを設置し、3層の熱シールドを用いて宇宙船からの熱を遮断し、反射性光学素子を用いて熱負荷を最小限に抑える。
• イオントラップおよび光学トラップを用い、内部から中空コアファイバーを通じて誘電体ナノ球（10^10 amu）を外部実験領域へ誘導する。
• オプトメカニカル技術を用いて、捕らえられた粒子の重心運動を量子基底状態に近づけて冷却する。
• 粒子を解放し、波動関数の拡張を約50秒間行い、その後UV位相グリッド（約200 nm）を作用させ、2番目の時間発展後に位置を測定することで、ニアフィールド物質波干渉計を実行する。
• 異なる材料およびサイズの粒子を用いて実験を繰り返し、量子予測およびモデルの逸脱を体系的にテストする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量が約10^10原子質量単位に近い対象について、宇宙ベースの干渉計で量子重ね合わせが観測可能か？
• RQ2 CSLやDiósi-Penroseのようなコアリズムモデルは、これらの巨視的質量スケールで量子理論からの逸脱をどの程度予測するか？
• RQ3 高質量物質波干渉における干渉可視度は、量子重力に起因する計量ゆらぎや重力波背景を検出するのに利用可能か？
• RQ4 地球の重力場における時間歪みが、巨大質量量子重ね合わせに測定可能なデコherenceを引き起こすか？
• RQ5 高質量物質波干渉計は、弱い相互作用を示すダークマター候補をプローブするのに役立つだろうか？

主な発見

• MAQROミッション設計は、被動的熱シールドにより、試験領域温度を約12 K、環境温度を約25 Kに達成し、長時間のコherencyを実現する。
• ミッションは約100秒のコherency時間を標榜しており、これは最大約10^10 amuの試験質量で物質波干渉を観測する上で不可欠である。
• 光学ベンチに反射性光学素子を用いることで、試験領域温度を約16 Kから約12 Kに低下させ、熱安定性が向上する。
• 更新されたMAQROプロポーザルでは、UV位相グリッド（約200 nm）と1064 nmレーザーを用いたニアフィールド干渉計を採用し、合計測定時間を短縮（t1 ≈ t2）し、可視度を向上させている。
• LISA Pathfinder、GAIA、Microscopeの技術的実績（マイクロスラスターや慣性センサ）を活用することで、技術的実現可能性を確保している。
• ミッションは通常2年間の運用を想定しており、延長も可能で、量子基礎理論の統計的に信頼性の高いテストに十分なデータ蓄積が可能である。