[논문 리뷰] Loss of coherence of matter-wave interferometer from fluctuating graviton bath

Marko Toroš, Anupam Mazumdar외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 21.

Quantum Mechanics and Applications참고 문헌 47인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 양자 중력자 배경과의 결합으로 인해 발생하는 물질파 간섭계에서의 비기본화 현상을 조사하며, 한 정점 피카르도 다이어그램을 통한 중력자 방출이 c⁻² 차수에서 에너지-운동량 보존을 만족하는 비기본화를 유도함을 보여준다. 비록 얽힘 없이도 이러한 비기본화는 매우 미약하여, 중간 크기의 물질파 간섭계나 두 간섭계의 얽힘을 통한 양자 중력 실험을 위한 제안된 실험에서는 무시할 수 있다.

ABSTRACT

In this paper we consider non-relativistic matter-wave interferometer coupled with a quantum graviton bath $\mathord{-}$ and discuss the loss of coherence in the matter sector due to the matter-graviton vertex. First of all, such a process does not lead to any entanglement, but nonetheless the on-shell scattering diagram can lead to loss of coherence as we will show. Importantly, we will show that graviton emission is the only one-vertex Feynman-diagram $\sim\sqrt{G}$ which is consistent with the conservation of energy and momentum at the dominant order $\sim\mathcal{O}(c^{-2})$. We will find that the resulting dephasing is extremely mild and hardly places any constraints on matter-wave interferometers in the mesoscopic regime. In particular, the show that the corresponding loss of coherence in the recently proposed experiment which would test quantum aspects of graviton $\mathord{-}$ via entanglement of two matter-wave interferometers $\mathord{-}$ is completely negligible.

연구 동기 및 목표

• 비상대론적 물질파 간섭계에서의 위상 보존에 영향을 미치는 양자 중력자 배경과의 결합을 분석하기 위해.
• 그러한 결합이 얽힘을 유도하는지 아니면 단지 비기본화만을 유도하는지 결정하기 위해.
• 물질파 간섭계 실험에서 양자 중력 효과를 관측할 수 있는지의 가능성을 평가하기 위해.
• 중력자와 물질을 포함하는 유일한 일관된 한 정점 피카르도 다이어그램에서 c⁻² 단계에서의 비기본화 강도를 평가하기 위해.

제안 방법

• 물질파 간섭계를 물질-중력자 정점으로 양자화된 중력자 배경과 결합된 양자 시스템으로 모델링하기 위해.
• 비가역 양자장 이론을 사용하여 비가역 스캐터링 다이어그램을 이용해 비기본화의 주요 기여도를 계산하기 위해.
• c⁻² 단계에서 에너지 및 운동량 보존을 만족하는 유일한 한 정점 피카르도 다이어그램을 식별하기 위해, 이는 중력자 방출이다.
• 물질 부문에서 비기본화 속도를 계산하기 위해 밀도 행렬 형식을 적용하기 위해.
• 유도된 비기본화 속도를 중간 크기의 시스템에서의 실험 감도 척도와 비교하기 위해.
• 두 간섭계의 얽힘을 통한 중력의 양자적 특성을 시험하고자 하는 최근 제안된 실험에 미치는 영향을 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 물질파 간섭계에서 양자 중력자 배경과의 결합이 물질과 중력자 간에 얽힘을 유도하는가?
• RQ2 c⁻² 단계에서 에너지 및 운동량 보존을 만족하는 중력자와 물질을 포함하는 주요 한 정점 피카르도 다이어그램은 무엇인가?
• RQ3 이 과정에서 물질 부문에서 유도된 비기본화 효과는 얼마나 강한가?
• RQ4 이 중력자 유도 비기본화는 중간 크기의 물질파 간섭계에서 감지될 수 있는가?
• RQ5 이 중력자 유도 비기본화 속도는 두 간섭계의 얽힘을 통한 양자 중력 실험에 영향을 줄 정도로 충분히 크기 있는가?

주요 결과

• c⁻² 단계에서 에너지 및 운동량 보존을 만족하는 유일한 한 정점 피카르도 다이어그램은 중력자 방출이다.
• 얽힘 없이도 이 과정은 물질 부문에서 비제로의 비기본화 속도를 유도한다.
• 유도된 비기본화 효과는 매우 미약하여 중간 크기의 물질파 간섭계에서는 무시할 수 있다.
• 비기본화 속도는 현재 또는 근래의 물질파 간섭계 실험에 대해 관측 가능한 제약 조건을 설정하기에는 너무 작다.
• 두 간섭계의 얽힘을 통한 중력자의 양자적 특성을 시험하고자 하는 제안된 실험에서는 이 비기본화 효과가 완전히 무시 가능하다.
• 이 차수에서 다른 한 정점 다이어그램은 보존 법칙을 만족하지 않으며, 중력자 방출이 유일한 주요 기여원임을 확인한다.