[논문 리뷰] Diosi-Penrose criterion for solids in quantum superpositions and a single-photon detector

Garrelt Quandt-Wiese|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 02.

Mechanical and Optical Resonators참고 문헌 18인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 고체가 양자 중첩 상태에 있을 때 디오시-페인로프 기준을 적용하기 위한 공식을 개발하며, 미세한 질량 분포와 매크로스코픽 형상의 영향을 모두 고려한다. 실험적으로 단일 광자 압력형 광다이오드가 고립 상태에서 수 초 동안 중첩 상태를 유지할 수 있음을 보여주며, 피에조 액추에이터를 통해 이 시간을 마이크로초 수준으로 조절 가능하다. 이는 중력에 의한 파동 함수 붕괴를 제어적으로 검증할 수 있도록 한다.

ABSTRACT

A formulary for the application of the Diosi-Penrose criterion to solids in quantum superpositions is developed, which takes the solid's microscopic mass distribution (resulting from its nuclei) and its macroscopic shape into account, where the solid's states can differ by slightly different positions or extensions of the solid. For small displacements, smaller than the spatial variation of the solid's nuclei, the characteristic energy of the Diosi-Penrose criterion is mainly determined by the mass distribution of the nuclei. For large displacements, much larger than the solid's lattice constant, the solid can be idealised as a continuum, and the characteristic energy depends on the solid's shape and the direction of the displacement. In Diosi's approach, in which the mass density operator has to be smeared, the solid's microscopic mass distribution plays no role. The results are applied to a special single-photon avalanche photodiode detector, which interacts as little as possible with its environment. This is realised by disconnecting the detector from the measurement devices when it is in a superposition, and by biasing the photodiode by a plate capacitor, which is charged shortly before the photon's arrival. For a suitable choice of components, the detector can stay in a superposition for seconds; its lifetime can be shortened to microseconds with the help of a piezoactuator, which displaces a mass in the case of photon detection.

연구 동기 및 목표

• 고체가 양자 중첩 상태에 있을 때 디오시-페인로프 기준을 적용하기 위한 공식을 개발하며, 미세한 질량 분포와 매크로스코픽 형상을 모두 포함한다.
• 격자 상수 대비 미세한 변위 척도와 매크로스코픽 척도에서 기준 에너지가 어떻게 달라지는지 분석한다.
• 환경과의 결합을 최소화하여 장수명 중첩 상태를 유지할 수 있도록 단일 광자 검출기를 설계한다. 이는 양자 중력 효과를 검증하는 데 기여한다.
• 초기 상태에서 수 초 동안 중첩 상태를 유지하고, 피에조 액추에이터를 사용해 이를 마이크로초 수준으로 줄일 수 있는 실험적 가능성을 입증한다.

제안 방법

• 소규모 변위에서 고체의 질량 분포를 바탕으로 디오시-페인로프 기준의 특성 에너지를 유도하며, 이 경우 핵 위치의 영향이 중요하다.
• 대규모 변위는 연속체 모델로 처리하여 형상과 변위 방향이 특성 에너지에 미치는 영향을 밝힌다.
• 환경과의 결합을 최소화하기 위해 캐패시터를 이용해 전압을 가하고 초음파 탐지 중에는 회로를 끊는 방식으로 단일 광자 압력형 광다이오드에 이 이론을 적용한다.
• 광자 탐지 시 피에조 액추에이터를 이용해 질량을 제어적으로 이동시켜 디코herence 시간을 조절 가능하게 한다.
• 디오시의 접근 방식에서 미세한 구조는 평균화되지만, 본 공식은 핵의 구조에 민감하게 반영함을 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 소규모 변위에서 고체의 질량 분포는 디오시-페인로프 기준의 특성 에너지에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 대규모 변위에서 매크로스코픽 형상과 변위 방향은 특성 에너지에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 환경과의 상호작용을 최소화하면서 단일 광자 검출기가 수 초 동안 중첩 상태를 유지할 수 있도록 설계할 수 있는가?
• RQ4 기계적 이동을 통해 이러한 검출기의 디코herence 시간을 얼마나 정밀하게 제어할 수 있는가?

주요 결과

• 핵의 공간적 변동보다 작은 변위에서는 특성 에너지가 고체의 핵 분포에 의해 주로 결정된다.
• 격자 상수보다 훨씬 큰 변위에서는 고체가 연속체로 행동하며, 특성 에너지는 고체의 형상과 변위 방향에 따라 달라진다.
• 측정 장치에서 분리하고, 광자 도착 직전에 판 커패시터를 통해 전압을 가하면 검출기가 수 초 동안 중첩 상태를 유지할 수 있다.
• 광자 탐지 시 피에조 액추에이터를 사용해 질량을 이동시킴으로써 디코herence 시간을 마이크로초 수준으로 줄일 수 있다.
• 이 공식은 디오시의 원래 평균화 접근 방식에서 간과되는 고체의 미세 질량 분포를 반영한다.