[논문 리뷰] Probing Gravitational Cat States in Canonical Quantum Theory vs Objective Collapse Theories

Maaneli Derakhshani|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 06.

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한 줄 요약

이 논문은 양자역학적 중력고양이 상태 예측을 보편적 양자이론(CQT)과 객관적 붕괴이론(OCTs) 간에 반고전적 중력과 양자화된 뉴턴 중력에서 비교한다. 이는 원칙적으로 중력고양이 실험을 통해 CQT와 중력을 반고전적으로 또는 양자화된 방식으로 다루는 OCTs를 구별할 수 있음을 보여주며, 특히 GRW형과 CSL형 모델 간의 붕괴 역학과 탐지기 반응에서의 차이를 드러낸다.

ABSTRACT

Using as a testbed the recently proposed "gravcat" experimental scheme in [1], we compare the properties of gravitational cat states in three descriptions: (1) canonical quantum theory (CQT) combined with the Newtonian limit of GR, (2) objective collapse theories (OCTs) extended to the regime of semiclassical Newtonian gravity, and (3) OCTs extended to incorporate quantized Newtonian gravity. For the CQT approach, we follow the treatment of Hu and Anastopoulos in [2]. For the OCTs, we consider the GRW, CSL, DP, and Karolyhazy theories, based on the semiclassical approaches of Derakhshani [3] and Tilloy-Diosi [4], respectively, and we consider the most straightforward extension of the aforementioned OCTs to the regime of quantized Newtonian gravity. We show that the gravitational cat scheme can, in principle, experimentally discriminate the quantum jumps in gravitational cat states predicted by the CQT approach and the quantized-gravity OCTs (which we show make effectively the same predictions as each other), from the predictions of the semiclassical-gravitational OCTs. We also show that the GRW and Karolyhazy versions of semiclassical gravity (based on Derakhshani's approach) make distinctly different predictions from the CSL and DP versions of semiclassical gravity (based either on Derakhshani's approach or the Tilloy-Diosi approach).

연구 동기 및 목표

• 보편적 붕괴이론(OCTs)이 반고전적 및 양자화된 뉴턴 중력으로 확장된 경우 중력고양이 실험에 대한 경험적 예측을 평가하기 위해.
• 이러한 예측을 일반 상대성 이론의 뉴턴 근사와 조합한 보편적 양자이론(CQT)의 예측과 비교하기 위해.
• 중력고양이 설정이 다양한 OCT 모델 간 및 OCTs와 CQT 간을 실험적으로 구별할 수 있는지 확인하기 위해.
• 반고전적 중력 대비 양자화된 중력에서 GRW, CSL, DP, Karolyhazy 모델 간의 붕괴 역학과 분해속도의 차이를 명확히 하기 위해.
• 환경 중력 결합이 중력고양이 설정에서 붕괴 속도와 탐지기 반응에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• Derakhshani, Anastopoulos, 및 Hu (2016)의 중력고양이 탐지기 설정을 CQT와 OCTs 전반에 걸쳐 예측을 테스트할 수 있도록 적응시켰다.
• CQT에 일반 상대성 이론의 뉴턴 근사를 적용하여 초위상 질량이 생성하는 중력장 모델링을 수행했다.
• GRW, CSL, DP, Karolyhazy 이론을 반고전적 중력과 양자화된 뉴턴 중력 모두에 확장했다.
• 각 OCT 모델에 특화된 마스터 방정식을 사용하여 붕괴 속도, 분해 시간, 탐지기 반응 확률을 유도했다.
• 초위상 질량으로부터 중력장을 탐지할 확률을 분석하여 각 모델 간의 예측을 비교했다.
• 탐지기 및 환경 질량과의 중력 결합이 붕괴 역학과 터널링 속도에 미치는 영향을 평가했다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중력고양이 실험은 보편적 양자이론과 반고전적 중력을 다루는 객관적 붕괴이론 간의 예측을 구별할 수 있는가?
• RQ2 중력을 반고전적으로 또는 양자화된 방식으로 다룰 때, 다양한 OCTs(예: GRW, CSL, DP, Karolyhazy)는 예측에서 어떻게 다를까?
• RQ3 탐지기 또는 환경 질량과의 중력 결합이 OCTs의 붕괴 속도에 영향을 주는가? 이는 실험 결과에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 스체로딩어-뉴턴 방정식에서 자기상호작용(SN)은 OCTs에서 고양이 상태를 유지하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 중력고양이 설정은 GRW형과 CSL형 모델 간의 분해속도 및 터널링 확률의 차이를 감지할 수 있는가?

주요 결과

• 중력고양이 설정은 원칙적으로 CQT-뉴턴과 중력을 반고전적으로 다루는 OCTs를 구별할 수 있으며, 이는 붕괴 역학의 차이 때문이 다.
• 반고전적 중력 영역에서 GRW와 Karolyhazy 모델은 CSL과 DP 모델과는 다릅니다. 특히 붕괴 속도와 분해 행동에서 뚜렷한 차이를 보입니다.
• TD-CSL과 TD-DP 모델은 잠재적인 터널링을 거의 예측하지 않으며, 중력고양이 설정에서 mN(질량에 의존하는) 모델과 거의 동일한 결과를 예측합니다.
• KmN-모델은 10¹⁴ amu의 마이크로스피어에 대해 약 0.1 s⁻¹의 붕괴 속도를 예측합니다. 이는 Pino 등(2016)의 프rotocol의 양자 coherence 시간 내에 들어가지만, 작은 붕괴 폭으로 인해 탐지기에 순력이 작용하지 않습니다.
• GRW0-뉴턴은 탐지기 결합에 의해 붕괴 속도가 증가하며, 이로 인해 고전적 탐지기 설정에서 CQT-뉴턴과 거의 동일한 예측을 합니다.
• CSL0-뉴턴, DP0-뉴턴, K0-뉴턴 모델은 중력고양이 설정에서 GRW0-뉴턴과 거의 동일한 예측을 하며, 이는 유사한 붕괴 메커니즘과 속도 때문입니다.