[논문 리뷰] Quantum Interference of a Microsphere

H. Pino, Jordi Prat‐Camps외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 04.

Quantum Mechanics and Applications인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 자성 부상과 양자 회로와의 상호작용를 통해 마이크론 크기의 초전도체 구를 이용해 표면에 놓인 실험을 통해 양자 간섭을 실현하고, 약 0.5 μm 크기의 공간적 초위상 상태를 가능하게 한다. 이 방법은 중력에 의한 붕괴를 설명하는 Diósi-Penrose 모델을 시험하며, 중력 에너지 척도가 관련된 영역에서 잠재적인 반증을 제공한다.

ABSTRACT

We propose and analyze an all-magnetic scheme to perform a Young's double slit experiment with a micron-sized superconducting sphere of mass $ \gtrsim 10^{13}$ amu. We show that its center of mass could be prepared in a spatial quantum superposition state with an extent of the order of half a micrometer. The scheme is based on magnetically levitating the sphere above a superconducting chip and letting it skate through a static magnetic potential landscape where it interacts for short intervals with quantum circuits. In this way a protocol for fast quantum interferometry is passively implemented. Such a table-top earth-based quantum experiment would operate in a parameter regime where gravitational energy scales become relevant. In particular we show that the faint parameter-free gravitationally-induced decoherence collapse model, proposed by Di\'osi and Penrose, could be unambiguously falsified.

연구 동기 및 목표

• 자기 부상된 마이크로스피어를 이용한 거시적 양자 초위상 상태를 실현할 수 있는 표면 실험의 실현 가능성을 보여주기 위해.
• 양자 붕괴에서 중력 에너지 척도의 역할을 조사하기 위해.
• Diósi-Penrose 모델의 매개변수 없는 중력에 의한 양자 붕괴를 시험하기 위해.
• 자기 잠재력 장과 양자 회로를 이용해 빠르고 수동적인 양자 간섭을 실현하기 위해.

제안 방법

• 정적 자기 잠재력 장을 이용해 초전도체 칩 위에 마이크로스피어를 자성 부상시킨다.
• 양자 회로와의 제어된 상호작용을 통해 구의 질량 중심을 약 0.5 μm 크기의 공간적 초위상 상태로 준비한다.
• 양자 회로와의 상호작용은 짧고 사영적이라, 활성 제어 없이도 빠르고 수동적인 양자 간섭을 가능하게 한다.
• 시스템은 중력 에너지 척도가 관련된 매개변수 영역에서 작동한다.
• 자기 잠재력 장은 양자 시스템과의 제어된 결합을 가능하게 하면서도 양자 얽힘을 유지하도록 설계된다.
• 외부 기계적 또는 광학적 제어를 피하고, 대신 내재된 자기 및 초전도성 특성에 의존한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기적 상호작용과 양자 회로 상호작용만을 사용하여 마이크론 크기의 초전도체 구를 약 0.5 μm 크기의 공간적 양자 초위상 상태로 준비할 수 있는가?
• RQ2 Diósi-Penrose 모델의 중력에 의한 붕괴는 이 실험적 설정에서 측정 가능한 영향을 예측하는가?
• RQ3 이 표면 실험은 매개변수 없는 중력에 의한 양자 붕괴 모델을 명확하게 반증할 수 있는가?
• RQ4 중력 에너지 척도는 거시적 양자 시스템에서 붕괴에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 자기 부상과 초전도 회로는 빠르고 수동적인 양자 간섭을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 질량이 ≳ 10^13 원자질량단위인 마이크로스피어는 약 0.5 μm의 너비를 가진 공간적 초위상 상태로 준비될 수 있다.
• 짧은 상호작용을 통해 양자 회로와의 임시 접촉을 통해 빠르고 수동적인 양자 간섭이 가능해지며, 활성 제어를 피할 수 있다.
• 실험이 중력 에너지 척도가 중요한 영역에서 작동하여 중력에 의한 붕괴 모델에 민감하게 반응할 수 있다.
• Diósi-Penrose 모델의 매개변수 없는 중력에 의한 양자 붕괴는 이 설정을 통해 명확하게 반증될 수 있다.
• 자기 부상과 초전도 회로를 통해 마이크로스피어의 질량 중심을 안정적이고 양자 얽힘 상태로 조작할 수 있다.
• 수동적인 간섭 프로토콜의 특성 덕분에 환경 노이즈에 대해 시스템의 설계가 강건하다.