[논문 리뷰] Testing the foundations of quantum physics in space Interferometric and non-interferometric tests with Large Particles

Giulio Gasbarri, Alessio Belenchia외 6명|ePrints Soton (University of Southampton)|2021. 06. 09.

Orbital Angular Momentum in Optics참고 문헌 2인용 수 6

한 줄 요약

이 보충 자료는 우주에서 대규모 유전체 나노입자를 이용한 간섭계 및 비간섭계 양자 기초 이론 실험을 위한 이론적 유도 및 시뮬레이션 결과를 제공한다. 일반화된 탈본 계수, 환경에 의한 디코herence 커널, CSL 모델 커널을 유도하며, 질량에 따라 민감도가 달라지는 레이저-격자 간섭계를 통해 양자에서 고전으로의 전이가 어떻게 탐지될 수 있는지 보여준다. 최적의 레이저 펄스 조건에서 최대 신호 대비비를 달성한다.

ABSTRACT

Quantum technologies are opening novel avenues for applied and fundamental science at an impressive pace. In this perspective article, we focus on the promises coming from the combination of quantum technologies and space science to test the very foundations of quantum physics and, possibly, new physics. In particular, we survey the field of mesoscopic superpositions of nanoparticles and the potential of interferometric and non-interferometric experiments in space for the investigation of the superposition principle of quantum mechanics and the quantum-to-classical transition. We delve into the possibilities offered by the state-of-the-art of nanoparticle physics projected in the space environment and discuss the numerous challenges, and the corresponding potential advancements, that the space environment presents. In doing this, we also offer an ab-initio estimate of the potential of space-based interferometry with some of the largest systems ever considered and show that there is room for tests of quantum mechanics at an unprecedented level of detail.

연구 동기 및 목표

• 우주에서의 마이크로중력 조건에서 매크로스코픽 유전체 나노입자를 이용한 양자역학 기초 이론 실험을 위한 이론적 및 계산적 지원을 제공하기 위해.
• 일반화된 탈본 계수를 통해 광학 격자의 응답과 디코herence 효과를 나노입자 파동함수에 대해 모델링하기 위해.
• 잔류 기체 및 광자 산산조각나기로 인한 환경적 디코herence를 정량화하고, 연속적인 자발적 국소화(CSL) 모델의 영향을 분석하기 위해.
• 레이저 펄스 에너지 밀도 등 실험적 매개변수를 최적화하여 양자, 고전, CSL 예측 간의 구별 가능성을 극대화하기 위해.
• 우주 기반 실험에서 양자 간섭 무늬, 고전적 그림자 무늬, CSL에 의해 유도된 디코herence 효과 간의 직접 비교를 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 일반화된 탈본 계수 $ B_n(s/d) $ 를 유도하며, 이는 응답의 비례성 $ B^\text{coh}_n $ 과 디코herence 마스크 $ R_n $ 의 커플 복합체로 표현되며, 산산조각나기 및 흡수 효과를 포함한다.
• 광자 산산조각나기 및 흡수 단면적에서 기인하는 환경적 디코herence 커널 $ R_n $ 을 계산하며, 동역량 이전 및 위상 이동을 포함한다.
• CSL 붕괴 메커니즘은 위치에 따라 변하는 노이즈 커널 $ f_{\text{CSL}}(x) $ 를 갖는 스토하스틱 셰르레딩어 방정식을 통해 모델링하며, 이는 CSL 모델의 매개변수에서 유도된다.
• 실제 실험 조건을 반영한 근접장 간섭계 시뮬레이션을 수행한다: 나노입자 질량 $ 10^7 - 10^{11} $ amu, 레이저 파장 $ \lambda = 100 $ nm, 트랩 매개변수 $ \nu_m = 10^5/(2\pi) $ Hz.
• 열 효과를 고려하기 위해 1초간 20 K 환경에서 광학 냉각 후 내부 온도가 40 K로 가정하며, 가혹한 추정치를 적용한다.
• 시간과 레이저 매개변수에 따라 양자, 고전, CSL 예측 간의 구별 가능성을 정량화하기 위해 비용 함수 $ \aleph_{QCSL} $ 와 $ \aleph_{QC} $ 를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일반화된 탈본 계수 $ B_n(s/d) $ 는 광학 격자에 의한 간섭 효과와 광자 산산조각나기 및 흡수에 의한 비간섭적 디코herence 간의 상호작용을 어떻게 코딩하는가?
• RQ2 양자 간섭 무늬와 고전적 그림자 무늬 간의 구별 가능성을 극대화하는 데 최적의 레이저 펄스 에너지 밀도 $ E_L/a_L $ 는 무엇인가?
• RQ3 CSL 모델은 대규모 입자 간섭계에서 양자 간섭에서의 이탈을 어떻게 예측하며, 어떤 질량 척도에서 이러한 이탈이 가장 민감하게 감지되는가?
• RQ4 잔류 기체 충돌 및 광자 산산조각나기와 같은 환경적 디코herence 메커니즘이 우주 기반 실험에서 양자 간섭의 가시도를 어느 정도 제한하는가?
• RQ5 광학 트랩에 의한 열 효과는 초기 파동함수 준비 및 이후 간섭 가시도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 일반화된 탈본 계수 $ B_n(s/d) $ 는 제1종 수정함수의 합으로 유도되며, 응답의 비례성과 흡수 및 산산조각나기로 인한 디코herence를 포함한다.
• 고전적 극한은 $ \hslash \to 0 $ 극한에서 나타나며, 여기서 위상 이동의 허수부 $ b(s) $ 만 기여하며, 이는 광력에 의한 고전적 동역량 킥에 해당한다.
• 최적의 $ E_L/a_L $ 비율은 나노입자 질량이 증가함에 따라 증가하며, $ 10^{11} $ amu 입자에서는 최대 $ 5 \, \text{J/m}^2 $ 에 도달한다.
• $ 10^{11} $ amu 입자에 대해 비용 함수 $ \aleph_{QCSL} $ 는 약 0.85의 최대값에 도달하며, 이는 양자와 CSL 예측 간의 강한 구별 가능성을 나타낸다.
• 시뮬레이션 결과는 1초 냉각 후 내부 온도가 40 K일 경우 간섭 가시도에 큰 영향을 주지 않으며, 이는 모델의 강건성을 검증한다.
• CSL에 의해 유도된 디코herence 커널 $ f_{\text{CSL}}(x) $ 는 운동량 공간에 대한 적분으로 표현되며, $ \lambda_{\text{CSL}} $, $ r_c $, 및 입자 질량에 의존하여 질량 척도에 따른 민감도 분석이 가능하다.