[논문 리뷰] Micron-size spatial superpositions for the QGEM-protocol via screening and trapping

Martine Schut, Andrew Geraci외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 28.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 배경 필드에 의한 디코herence 를 억제하기 위해 자기 트랩과 전자기 차폐를 사용하여 QGEM 프로토콜을 위한 마이크론 크기의 공간 양자 초월 상태를 생성하는 방법을 제안한다. 판에 의한 힘보다 강한 트랩 포텐셜로 질량이 큰 간섭계를 구속함으로써, 프로토콜은 필요한 초월 상태 크기를 두 개의 지수만큼 감소시켜 중력에 의해 유도된 양자 얽힘을 이용한 테이블탑 실험을 가능하게 한다.

ABSTRACT

The quantum gravity-induced entanglement of masses (QGEM) protocol for testing quantum gravity using entanglement witnessing utilizes the creation of spatial quantum superpositions of two neutral, massive matter-wave interferometers kept adjacent to each other, separated by a distance d. The mass and the spatial superposition should be such that the two quantum systems can entangle solely via the quantum nature of gravity. Despite being charge-neutral, there are many electromagnetic backgrounds that can also entangle the systems, such as the dipole-dipole interaction, and the Casimir-Polder interaction. To minimize electromagnetic-induced interactions between the masses it is pertinent to isolate the two superpositions by a conducting plate. However, the conducting plate will also exert forces on the masses and hence the trajectories of the two superpositions would be affected. To minimize this effect, we propose to trap the two interferometers such that the trapping potential dominates over the attraction between the conducting plate and the matter-wave interferometers. The superpositions can still be created via the Stern-Gerlach effect in the direction parallel to the plate, where the trapping potential is negligible. The combination of trapping and shielding provides a better parameter space for the parallel configuration of the experiment, where the requirement on the size of the spatial superposition, to witness the entanglement between the two masses purely due to their quantum nature of gravity, decreases by at least two orders of magnitude as compared to the original protocol paper.

연구 동기 및 목표

• 테이블탑 실험에서 질량이 큰 공간 양자 초월 상태를 이용한 양자 중력 검증을 위한 QGEM 프로토콜의 실험적 실현을 가능하게 하기 위해.
• 중성 질량 간섭계에서 카시미르-폴더 및 드립올-드립올 상호작용과 같은 전자기 상호작용에 의한 디코herence 를 완화하기 위해.
• 전자기 배경 효과를 최소화하여 감지 가능한 중력에 의한 얽힘을 유도하기 위한 공간 양자 초월 상태의 크기를 줄이기 위해.
• 트랩 포텐셜이 판에 의한 힘보다 우세하도록 안정적인 구성 구조를 설계하여 초월 상태의 무결성을 유지하기 위해.
• 크기 제약을 줄임으로써 QGEM 실험의 평행 구성이 실험적으로 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 두 개의 질량이 큰 간섭계가 전자기 배경 상호작용으로부터 보호되도록 전도성 판을 사용한 차폐.
• 차폐 판에 의한 힘보다 우세한 자기 트랩 포텐셜의 구현.
• 트랩이 미미한 방향(판에 평행한 방향)에서 슈테른-게를라흐 효과를 통해 공간 양자 초월 상태를 생성.
• 스핀 상태가 비균일한 자기장에 결합된 NV-도핑된 다이아몬드 마이크로스피어를 시험 질량으로 사용.
• 시간에 따라 변화하는 자기장을 사용하여 초월 상태를 생성하고 복원함으로써 간섭측정을 가능하게 함.
• Hsu 등 (2016)의 피드백 냉각 자기 트랩 프로파일을 활용하여 마이크론 크기 시스템에 적합하게 수정함.

Figure 3 : We show a schematic drawing of the proposed setup which involves trapping the test masses and using electromagnetic screening. The grey plane represents the conducting plate and it is assumed to be clamped. The rainbow-colored shapes represent the trapping potentials, a spherical test mas

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전자기 배경 상호작용이 충분히 억제되어 테이블탑 실험에서 중력에 의한 얽힘의 검출이 가능할 수 있는가?
• RQ2 공간 양자 초월 상태의 크기를 얼마나 줄여야 QGEM 프로토콜의 실험적 실현이 가능해지는가?
• RQ3 차폐 판에 의한 흡인력에 대비하여 초월 상태 생성에 영향을 주지 않으면서도 초월 상태를 유지할 수 있는 트랩 포텐셜을 설계할 수 있는가?
• RQ4 트랩 필드가 존재하는 조건에서 자기장 스위칭이 시스템의 안정성과 디코herence 에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 배경 필드에 대한 민감도가 낮아진 조건에서, 차폐와 트랩을 통해 QGEM 프로토콜의 평행 구성이 실현 가능할 수 있는가?

주요 결과

• 전자기 차폐와 자기 트랩의 조합은 원래 QGEM 프로토콜 대비 공간 양자 초월 상태의 크기를 최소 두 개의 지수만큼 감소시킨다.
• 트랩 포텐셜은 판에 의한 힘을 효과적으로 억제하여 초월 상태 준비 및 측정 과정에서의 무결성을 유지한다.
• 차폐 판에 평행한 방향에서의 슈테른-게를라흐 효과는 트랩이 존재하는 조건에서도 안정적으로 초월 상태를 생성할 수 있음을 보여준다.
• 현재 마이크로패키징 코ils 기술로 구현 가능한 자기장 기울기(최대 약 10 T/m)와 스위칭 시간(약 100–160 μs)이 제안된다.
• 마이크로패키징 코ils에 의한 시스템에 작용하는 힘은 약 10⁻⁸ N 수준이며, 현재의 기계적 지지 시스템으로도 관리 가능한 수준이다.
• 이 프로토콜은 테이블탑 장치에서 얽힘 감지 기반으로 중력의 양자적 성격을 검증할 수 있는 실현 가능한 길을 제공한다.

Figure 4 : The figure illustrates the dipole moment of the sphere interacting with the conducting plate. The potential in eq. ( 11 ) between the sphere and the plate is found using the method of images griffiths2005introduction from eq. ( 9 ), where we assume the plate to be grounded and much longer