[논문 리뷰] An entanglement-based test of quantum gravity using two massive particles

Chiara Marletto, Vlatko Vedral|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 19.

Quantum Mechanics and Applications인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 중력장의 양자화 여부를 실험적으로 검증하기 위해 테이블탑 실험을 제안한다. 두 거대한 입자를 양자 superposition 상태로 준비하고, 이들이 상호작용하는 중력장이 이들의 얽힘을 매개하는 것을 이용한다. 유일하게 얽힘을 매개할 수 있는 것은 양자장 뿐이므로, 관측된 얽힘의 정도는 중력장의 양자화 여부를 증거로 삼을 수 있으며, 그로 인해 중력기본입자 또는 진공변동을 직접 측정하는 것보다 실현 가능성이 높은 대안이 된다.

ABSTRACT

All existing quantum gravity proposals share the same deep problem. Their predictions are extremely hard to test in practice. Quantum effects in the gravitational field are exceptionally small, unlike those in the electromagnetic field. The fundamental reason is that the gravitational coupling constant is about 43 orders of magnitude smaller than the fine structure constant, which governs light-matter interactions. For example, the detection of gravitons -- the hypothetical quanta of energy of the gravitational field predicted by certain quantum-gravity proposals -- is deemed to be practically impossible. In this letter we adopt a radically different, quantum-information-theoretic approach which circumvents the problem that quantum gravity is hard to test. We propose an experiment to witness quantum-like features in the gravitational field, by probing it with two masses each in a superposition of two locations. First, we prove the fact that any system (e.g. a field) capable of mediating entanglement between two quantum systems must itself be quantum. This argument is general and does not rely on any specific dynamics. Then, we propose an experiment to detect the entanglement generated between two masses via gravitational interaction. By our argument, the degree of entanglement between the masses is an indirect witness of the quantisation of the field mediating the interaction. Remarkably, this experiment does not require any quantum control over gravity itself. It is also closer to realisation than other proposals, such as detecting gravitons or detecting quantum gravitational vacuum fluctuations.

연구 동기 및 목표

• 중력 상호작용의 극도로 약한 강도로 인해 오랫동안 실험적으로 검증되지 못한 양자중력을 해결하고자 한다.
• 중력기본입자 또는 양자중력 진공변동을 직접 측정하는 데 어려움이 있는 점을 고려해, 더 실현 가능한 대안을 제안하고자 한다.
• 두 양자 질량 사이에서 중력에 의해 발생하는 얽힘은 중력장이 본질적으로 양자적 성질을 가져야 한다는 것을 보여주며, 이를 입증하고자 한다.
• 중력장을 직접 조작할 필요 없이도 검증 가능하고, 양자정보이론에 기반한 프레임워크를 제공함으로써, 중력의 양자적 성질을 증거로 삼고자 한다.

제안 방법

• 두 거대한 입자를 두 공간 위치에 대한 중첩 상태로 준비하여, 일관된 중첩 상태를 형성한다.
• 입자 간의 상호작용을 중력 잠재에너지가 담당하며, 이는 얽힘의 매개체로 작용한다.
• 양자정보 이론적 접근을 적용한다: 두 양자 시스템 간의 얽힘을 매개할 수 있는 시스템은 그 자체로 양자적이어야 하며, 이는 시스템의 동역학과는 무관하다.
• 양자 상태 회복 기술 또는 간섭계 기법을 사용해 두 질량 간의 최종 얽힘 정도를 측정한다.
• 측정된 얽힘 정도를 증거로 사용한다. 비영인 얽힘은 중력장이 양자적임을 의미한다.
• 현재 또는 근래의 기술로 실현 가능한 실험으로 설계하여, 중력장에 대한 양자 제어가 필요로 하지 않도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중력만으로 매개되는 두 거대한 입자 간의 얽힘은 중력장의 양자화 여부를 증거로 삼을 수 있는가?
• RQ2 중력기본입자를 탐지하거나 진공변동을 측정하지 않더라도, 중력장의 양자적 특성을 탐지할 수 있는가?
• RQ3 두 양자 시스템 간의 얽힘을 매개하기 위해 요구되는 최소 조건은 무엇이며, 중력은 이를 충족하는가?
• RQ4 양자정보이론적 접근을 통해 특정 동역학 모델에 의존하지 않고도 중력의 양자적 성질을 입증할 수 있는가?
• RQ5 이 실험은 다른 양자중력 실험에 비해 얼마나 실현 가능성이 높은가?

주요 결과

• 두 양자 시스템 간의 얽힘을 매개할 수 있는 어떤 물리적 시스템이라도 본질적으로 양자적이어야 하며, 이는 동역학과 무관한 일반적 결과이다.
• 중첩 상태에 있는 두 질량 간에 관측된 얽힘은 중력장의 양자적 성질을 직접 증거로 삼는다.
• 실험은 중력장에 대한 양자 제어가 필요로 하지 않아, 중력기본입자 탐지와 같은 기존 제안들보다 실현 가능성이 높다.
• 매우 약한 양자중력 효과를 직접 측정할 필요 없이, 얽힘을 서명으로 삼는다.
• 중력기본입자나 진공변동을 직접 측정하는 다른 실험들에 비해 이 제안은 더 실현 가능성이 높다.
• 이 프레임워크는 양자정보 원리에 기반한 강력하고 모델에 종속되지 않는 양자중력 증거를 제공한다.