[논문 리뷰] Testing Quantum Gravity with a Single Quantum System

Richard Howl, Vlatko Vedral외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 22.

Quantum Mechanics and Applications인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 연속 변수 양자정보이론(CVQIT)을 활용하여 단일 거대한 양자 시스템 내의 비정규성(non-Gaussianity)을 탐지함으로써, 양자 중력(QG)에 대한 테이블탑 실험을 제안한다. 이전의 다수의 시스템 간 얽힘에 의존하는 제안들과는 달리, 이 방법은 단일 시스템 내에서 초래되는 비정규성—일반적인 양자 계산을 가능하게 하는 자원—을 통해 QG 효과를 탐지한다. 이는 국소적 상호작용이나 다중 입자 얽힘에 의존하지 않는 독립적인 실험을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Until recently, table-top tests of quantum gravity (QG) were thought to be practically impossible. However, due to a radical new approach to testing QG that uses principles of quantum information theory (QIT) and quantum technology, such tests now seem, remarkably, within sight. In particular, a promising test has been proposed where the generation of entanglement between two massive quantum systems, both in a superposition of two locations, would provide evidence of QG. In QIT, quantum information can be encoded in discrete variables, such as qubits, or continuous variables. The latter approach, called continuous-variable QIT (CVQIT), is extremely powerful as it has been very effective in applying QIT to quantum field theory. Here we apply CVQIT to QG, and show that another signature of QG would be the creation of non-Gaussianity, a continuous-variable resource that is necessary for universal quantum computation. In contrast to entanglement, non-Gaussianity can be applied to a single rather than multi-partite quantum system, and does not rely on local interactions. We use these attributes to describe a table-top test of QG that is based on just a single quantum system in a single location.

연구 동기 및 목표

• 양자정보 원리를 활용한 실현 가능한 테이블탑 양자 중력 실험을 개발하기 위해.
• 다수의 시스템 간 얽힘과 국소적 상호작용을 요구하는 이전 QG 실험의 한계를 극복하기 위해.
• 비정규성—연속 변수 자원—이 단일 양자 시스템 내에서 양자 중력의 징후로 작용할 수 있음을 보여주기 위해.
• 다중 입자 얽힘이나 국소적 상호작용에 의존하지 않는 QG 실험을 가능하게 하여 실험적 실현 가능성을 높이기 위해.

제안 방법

• 양자 중력에 연속 변수 양자정보이론(CVQIT)를 적용하여 비정규성을 탐지 가능한 징후로 삼기.
• 두 개의 공간적 위치에 있는 초전도체 상태로 준비된 단일 거대한 양자 시스템을 모델링하기.
• 양자장 이론 프레임워크를 사용하여 중력 상호작용으로 인한 비정규성 생성 분석하기.
• 비정규성을 다중 시스템 간 얽힘 또는 국소적 연산 없이도 측정 가능한 자원으로 식별하기.
• 프로토콜에서 국소적 상호작용의 부재를 활용하여 디코herence와 측정의 복잡성을 피하기.
• 비정규성이 단일 시스템 내에서 양자 중력 효과에 의해만 생성되는 실험 프로토콜 설계하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 거대한 양자 시스템 내의 비정규성이 양자 중력의 탐지 가능한 징후로 작용할 수 있는가?
• RQ2 다수의 시스템 간 얽힘에 의존하지 않고도 양자 중력을 테스트할 수 있는가?
• RQ3 연속 변수 양자정보이론은 어떻게 단일 시스템에서의 양자 중력 테이블탑 실험을 가능하게 하는가?
• RQ4 실제로 구현 가능한 양자 기술 조건 하에서 중력 상호작용이 단일 시스템 내에서 비정규성을 생성할 수 있는가?
• RQ5 단일 시스템 내에서 비정규성을 통해 양자 중력을 탐지하기 위한 최소한의 물리적 조건은 무엇인가?

주요 결과

• 중력 상호작용으로 인해 단일 거대한 양자 시스템 내에서 비정규성이 생성될 수 있으며, 이는 양자 중력의 징후로 기능한다.
• 제안된 실험은 다수의 시스템 간 얽힘을 요구하지 않아 실험 복잡도가 감소한다.
• 비정규성은 일반적인 양자 계산을 가능하게 하는 자원이므로 물리적으로 의미 있고 측정 가능한 양이다.
• 이 방법은 국소적 상호작용에 의존하지 않아 디코herence 위험을 최소화하고 실현 가능성을 높인다.
• 프로토콜은 단일 시스템이 중첩 상태에 있을 때만으로도 테이블탑 양자 중력 실험을 가능하게 한다.
• 연속 변수 양자정보이론은 단일 시스템 내에서의 양자 중력 효과 탐지에 강력한 프레임워크를 제공한다.