[논문 리뷰] Decoherence of massive superpositions induced by coupling to a quantized gravitational field

Vlatko Vedral|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 29.

Quantum Mechanics and Applications인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 질량이 큰 양자 중첩 상태가 양자화된 중력장과의 얽힘으로 인해 선형 영역에서도 중력 포텐셜의 차이로 유도된 위상 이동으로 인해 얽힘으로 인한 붕괴가 발생할 수 있음을 보여준다. 핵심 기여는 이러한 중력 붕괴가 표준 양자 붕괴 메커니즘과 구별되지 않으며, 실제 붕괴와는 달리 스핀 에코를 통해 역으로 복원될 수 있음을 보여주어, 실험적으로 고전적 탈조화, 양자 얽힘에 의한 붕괴, 객관적 붕괴 모델을 구별할 수 있는 방법을 제공한다는 것이다.

ABSTRACT

We present a simple calculation leading to the quantum gravitationally-induced decoherence of a spatial superposition of a massive object in the linear coupling regime. The point of this calculation is to illustrate that the gravitationally-induced collapse could be of the same origin as any other collapse, i.e. due to the entanglement between the system (here a massive object) and its environment (in this case gravity, but it could well be the electromagnetic or any other field). We then point out that, in some cases, one has to be careful when concluding that matter-wave interference of large masses (to be quantified) would be prevented by their coupling to the gravitational field. We discuss how to experimentally discriminate between decoherence due to entanglement, decoherence due to classical dephasig as well as a genuine collapse of quantum superpositions (if such a process exists at all).

연구 동기 및 목표

• 질량이 큰 초월 상태에서 양자화된 중력장과의 얽힘을 통해 중력 결합이 붕괴를 유도할 수 있는지 조사하기.
• 양자 얽힘에 의한 중력 붕괴와 반고전적 중력에 의한 고전적 탈조화 사이의 구별을 명확히 하기.
• 특히 스핀 에코 기법을 사용하여, 얽힘에 의한 붕괴, 고전적 탈조화, 진정한 객관적 초월 상태 붕괴를 구별할 수 있는 실험적 기준을 제안하기.
• 중력 결합이 물질파 간섭을 반드시 방지한다는 가정을 도전하며, 간섭이 여전히 관측 가능할 수 있음에도 불구하고 얽힘으로 인해 붕괴된 것처럼 보이는 '가짜 붕괴' 개념을 도입하기.
• 이중 슬릿 실험과 같은 질량이 큰 시스템에서 간섭이 억제되는 조건을 양자역학적으로 중력자 방출을 통해 유도하고, 반고전적 모델의 결과와 일치시킴을 보여주기.

제안 방법

• Δx 거리로 분리된 두 위치에 있는 질량이 큰 입자를 공간 중첩 상태로 모델링하고, 이 입자를 양자화된 중력장과 결합시기.
• 두 공간 상태 간의 에너지 차이에 의해 중력장에 유도되는 위상 이동을 계산하며, 이는 EP(플랑크 에너지)에 비례하는 ΔE/EP 비율에 비례한다.
• 표준 밀도 행렬 형식을 사용하여 중력장을 추적함으로써, 결과적으로 얽힘으로 인한 붕괴를 보여주는 감소된 밀도 행렬을 도출하기.
• 스핀 에코 프로토콜 적용: 진화 시간의 절반 지점에서 두 공간 성분을 바꿔치기하여 고전적 탈조화를 반전시키며, 이로 인해 그 역행성이 입증됨.
• 환경의 얽힘 역할을 간섭 실험에서 분석하여, 시스템 경로 재결합 시 환경 상태가 위상적으로 재결합할 경우 간섭이 여전히 관측될 수 있음을 보여줌.
• 간섭을 파괴하는 중력자 방출 조건(Gm²d/r² ≥ hc/d)을 유도하며, 이 조건이 반고전적 모델에서 유도된 플랑크 척도 한계와 일치함을 보임.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양자화된 장과의 중력 결합이 질량이 큰 초월 상태에서 붕괴를 유도할 수 있으며, 만약 그렇다면 다른 붕괴 메커니즘과 본질적으로 다를까?
• RQ2 고전적 탈조화(반고전적 중력에 기인)와 양자 붕괴(중력장과의 얽힘에 기인)를 실험적으로 어떻게 구별할 수 있을까?
• RQ3 중력장과의 얽힘이 간섭을 영구적으로 잃게 하는 조건은 언제이며, 언제는 붕괴가 반전 가능하거나 '가짜'일 수 있을까?
• RQ4 중력으로 인해 질량이 큰 이중 슬릿 실험에서 간섭이 억제되는 현상은 중력자의 양자적 방출로 설명될 수 있으며, 이는 반고전적 예측과 일치하는가?
• RQ5 시스템을 단독으로 제어함으로써 중력 붕괴를 역전시킬 수 있으며, 이는 객관적 붕괴의 본질에 대해 어떤 시사점을 갖는가?

주요 결과

• 중력 붕괴는 질량이 큰 초월 상태와 양자화된 중력장 간의 얽힘으로 인해 발생하며, 붕괴 정도는 두 상태 간 에너지 차이와 플랑크 에너지의 비율에 비례한다.
• 반고전적 중력에 의한 고전적 탈조화는 스핀 에코 프로토콜을 통해 반전 가능하며, 이는 시간 대칭 작용으로 인해 상대 위상을 제거할 수 있기 때문이다.
• 얽힘에 의한 붕괴는 시스템만 제어하는 것으로는 복원할 수 없으며, 환경 제어 또는 능동적 오류 수정이 필요하다.
• 중력장 상태가 시스템 경로 재결합 시 위상적으로 재결합할 경우, 중력 얽힘 존재하에서도 간섭이 여전히 관측될 수 있으며, 이를 '가짜 붕괴'라고 부른다.
• 중력자가 간섭을 파괴하는 조건(Gm²d/r² ≥ hc/d)은 반고전적 모델에서 유도된 플랑크 척도 한계와 일치하며, 양자 및 고전적 중력 접근 방식 간의 일관성을 확인한다.
• 논문은 객관적 붕괴가 환경의 전체 지식과 제어 없이 시스템의 동역학 수준에서 붕괴와 구별되지 않음을 결론 내리며, 이는 실험적으로 구별하는 것은 어렵지만 이론적으로 가능하다는 것을 시사한다.