[論文レビュー] Testing the foundations of quantum physics in space Interferometric and non-interferometric tests with Large Particles

Giulio Gasbarri, Alessio Belenchia+6 more|ePrints Soton (University of Southampton)|Jun 9, 2021

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 2被引用数 6

ひとこと要約

本補足資料は、宇宙空間における大規模な誘電性ナノ粒子を用いた干渉および非干渉的量子基礎理論の実験的検証に関する、詳細な理論的導出およびシミュレーション結果を提供する。一般化されたタロット係数、環境デコherence核、CSLモデル核を導出し、質量依存性を持つ感度を有するレーザー・グレーティング干渉計を用いた量子から古典への転移がどのように探査可能であるかを示している。最適化されたレーザーパルスパラメータで信号コントラストが最大に達することを明らかにした。

ABSTRACT

Quantum technologies are opening novel avenues for applied and fundamental science at an impressive pace. In this perspective article, we focus on the promises coming from the combination of quantum technologies and space science to test the very foundations of quantum physics and, possibly, new physics. In particular, we survey the field of mesoscopic superpositions of nanoparticles and the potential of interferometric and non-interferometric experiments in space for the investigation of the superposition principle of quantum mechanics and the quantum-to-classical transition. We delve into the possibilities offered by the state-of-the-art of nanoparticle physics projected in the space environment and discuss the numerous challenges, and the corresponding potential advancements, that the space environment presents. In doing this, we also offer an ab-initio estimate of the potential of space-based interferometry with some of the largest systems ever considered and show that there is room for tests of quantum mechanics at an unprecedented level of detail.

研究の動機と目的

• 微小重力下におけるマクロな誘電性ナノ粒子を用いた量子力学の基礎を検証するための理論的・計算的支援を提供すること。
• 一般化されたタロット係数を用いて、光学グレーティングがナノ粒子波動関数に及ぼすコherentおよびincoherent効果をモデル化すること。
• 残留ガスおよび光子散乱による環境デコherenceを定量的に評価し、連続的自発的局在化（CSL）モデルによるものも含む。
• レーザーパルスエネルギー密度（例：$ E_L/a_L $）を含む実験パラメータを最適化し、量子的・古典的・CSL予測の間の区別可能性を最大化すること。
• 宇宙空間実験において、量子干渉パターンと古典的シャドウパターン、およびCSLに起因するデコherence効果を直接比較可能にする。

提案手法

• レーザー散乱および吸収効果を組み込んだ、コherentグレーティング応答 $ B^\text{coh}_n $ とデコherenceマスク $ R_n $ の畳み込みとして、一般化されたタロット係数 $ B_n(s/d) $ を導出する。
• 光子散乱および吸収断面積から、運動量移動および位相シフトを含めた環境デコherence核 $ R_n $ を計算する。
• CSL崩壊メカニズムを、位置に依存するノイズ核 $ f_{\text{CSL}}(x) $ を持つ確率的シュレーディンガー方程式でモデル化し、CSLモデルのパラメータから導出する。
• ナノ粒子質量 $ 10^7 - 10^{11} $ amu、レーザー波長 $ \lambda = 100 $ nm、トラップ周波数 $ \nu_m = 10^5/(2\pi) $ Hz といった実際のパラメータを用いて、近場干渉計の数値シミュレーションを実施する。
• 1秒間の光学冷却後、40 Kの内部温度を仮定し、加熱に対する保守的見積もりを用いて熱効果を統合する。
• 時間およびレーザーパラメータの関数として、量子的・古典的・CSL予測の区別可能性を定量化するためのコスト関数 $ \aleph_{QCSL} $ および $ \aleph_{QC} $ を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一般化されたタロット係数 $ B_n(s/d) $ は、コherentグレーティング回折と光子散乱・吸収に起因する非コherentデコherenceの間の相互作用をどのように符号化しているか？
• RQ2 量子干渉と古典的シャドウパターンの区別可能性を最大化する最適なレーザーパルスエネルギー密度 $ E_L/a_L $ は何か？
• RQ3 CSLモデルは大粒子干渉計において、量子干渉からどれほどずれるのを予測しており、どの質量スケールがそのずれに対して最も感受性を示すか？
• RQ4 残留ガス衝突および光子散乱といった環境デコherence機構は、宇宙空間実験における量子干渉の可視度をどの程度制限するか？
• RQ5 光学トラップに起因する熱効果は、初期波動関数の準備およびその後の干渉可視度にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 一般化されたタロット係数 $ B_n(s/d) $ は、第一種ベッセル関数の和として導出され、コherentグレーティング応答と吸収・散乱に起因するデコherenceを組み込んでいる。
• 古典的極限は $ \hslash \to 0 $ の極限で現れ、位相シフトの虚部 $ b(s) $ のみが寄与する。これは光学力に起因する古典的運動量キックに対応する。
• 量子的・CSL予測の区別可能性を最大化する最適な $ E_L/a_L $ 比はナノ粒子質量に応じて増加し、$ 10^{11} $ amu の粒子では最大で $ 5 \, \text{J/m}^2 $ に達する。
• $ 10^{11} $ amu の粒子に対して、コスト関数 $ \aleph_{QCSL} $ は約 0.85 のピーク値に達し、量子的およびCSL予測の間の明確な区別可能性を示している。
• シミュレーション結果から、1秒間の冷却後の40 Kの内部温度に起因する熱効果は干渉可視度に顕著な影響を及ぼさないことが判明し、モデルの頑健性が裏付けられた。
• CSLに起因するデコherence核 $ f_{\text{CSL}}(x) $ は運動量空間における積分として表現され、$ \lambda_{\text{CSL}} $、$ r_c $、および粒子質量に依存する。これにより、質量スケールにわたる感受性解析が可能になった。