[논문 리뷰] Macroscopic quantum test with bulk acoustic wave resonators

Björn Schrinski, Yu Yang외 6명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 14.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 사파이어 결정 내의 부피 음향파 공진기를 사용하여 오늘까지 가장 거시적인 양자 실험을 수행하며, 1 μg 기계 모드에서 Wigner 함수의 음성성을 직접 측정함으로써 매크로시티 측도 μ = 11.3를 달성하였다. 실험은 마이크로그램 규모에서 고전적 기술을 배제하며, 붕괴 속도에 대한 베이지안 추론을 통해 자발적 붕괴 모델에 대한 경계를 설정하였다.

ABSTRACT

Recently, solid-state mechanical resonators have become a platform for demonstrating non-classical behavior of systems involving a truly macroscopic number of particles. Here, we perform the most macroscopic quantum test in a mechanical resonator to date, which probes the validity of quantum mechanics at the microgram mass scale. This is done by a direct measurement of the Wigner function of a high-overtone bulk acoustic wave resonator mode, monitoring the gradual decay of negativities over tens of microseconds. While the obtained macroscopicity of $μ= 11.3$ is on par with state-of-the-art atom interferometers, future improvements of mode geometry and coherence times could confirm the quantum superposition principle at unprecedented scales.

연구 동기 및 목표

• 마이크로그램 질량 척도에서 양자역학이 거시실재론적 수정에 대해 유효한지 테스트하기 위해.
• 약 10^16개 원자들이 위상적으로 일치하는 운동을 하는 기계 공진기에서 진정한 양자 행동을 보여주기 위해.
• Wigner 함수의 음성성과 붕괴에 대한 베이지안 추론을 통해 매크로시티 기준을 설정하기 위해.
• 열가열에 대한 비간섭 측정을 통해 자발적 붕괴 모델(CSL 등)에 대한 향상된 경계를 설정하기 위해.
• 더 큰 척도에서 양자 초월 상태를 테스트하기 위한 전자기기 공진기 설계를 이끌기 위해.

제안 방법

• 초전도 큐비트가 편광층을 통해 사파이어 결정 내 고조파 부피 음향파 모드와 결합되어, 양자 상태 준비 및 읽기 기능을 가능하게 하였다.
• 큐비트의 조건부 역학을 통해 수행된 이동된 비대칭 측정을 이용해 음향파 모드의 Wigner 함수를 재구성하였다.
• 측정된 데이터에 베이지안 추론을 적용하여 최대 허용 확산 속도 Γ를 추정하였으며, 이는 매크로실재론적 수정을 정량화한다.
• 유도된 Γ 기반으로 가장 제외된 공명 시간 τₑ의 로그에서 매크로시티 μ를 유도하였다.
• 측정된 모든 확산이 매크로실재론적 붕괴에서 기인한다고 가정하여, τₑ 및 Γ에 대한 보수적인 경계를 제공하였다.
• 이론적 모델링은 이완(γ↓)과 확산(Γ)을 고려하여 측정된 열 인구 수와 붕괴 모델에 대한 배제 한계를 연결하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비고전적 상태 서명을 사용하여 기계 공진기에서 달성된 가장 큰 매크로시티 μ는 얼마인가?
• RQ2 효과 질량 1 μg, 공명 시간 최대 40 μs인 기계 모드에서 Wigner 함수의 음성성을 관찰할 수 있는가?
• RQ3 부피 음향 공진기에서 열가열에 대한 비간섭 측정을 통해 자발적 붕괴 모델을 어느 정도 배제할 수 있는가?
• RQ4 공진기의 기하학적 구조는 향후 거시적 양자 실험 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 구성 원자들의 초핵미세 이동이 있는 시스템에 매크로시티 측도 μ를 의미 있게 적용할 수 있는가?

주요 결과

• 실험은 기계 공진기에서 오늘까지 가장 거시적인 양자 실험으로 μ = 11.3 매크로시티를 달성하였다.
• 1 μg 부피 음향 모드에서 최대 40 μs 동안 Wigner 함수의 음성성이 관찰되어 비고전적 행동이 확인되었다.
• 측정된 이완 속도 γ↓ ≈ 1/T₁는 5 × 10⁻⁷ m 길이 척도에서 τₑ < 1.9 × 10¹¹ s를 배제하는 데 기여하였다.
• 최대 무차원 확산 속도 Γ는 0.016γ↓로 추정되었으며, 이는 1.6%의 열 인구와 일치하였다.
• 이론적 모델링은 확산 속도 Γ가 모드 기하학과 물질 특성에 비례함을 확인하였으며, 향후 실험 최적화에 기여할 수 있었다.
• 최근 제안된 비간섭 붕괴 모델 실험과 일치하며, 부피 공진기의 경우 확산 속도 표현에서 정확한 일치를 보였다.