[论文解读] An entanglement-based test of quantum gravity using two massive particles

Chiara Marletto, Vlatko Vedral|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2017

Quantum Mechanics and Applications被引用 4

一句话总结

本文提出了一项桌面实验，通过在叠加态中纠缠两个大质量粒子，来检验量子引力理论。其核心依据是：唯有量子场才能在两者之间传递纠缠。所观测到的纠缠程度可作为引力场量子化的见证，为探测引力子或真空涨落提供了一种切实可行的替代方案。

ABSTRACT

All existing quantum gravity proposals share the same deep problem. Their predictions are extremely hard to test in practice. Quantum effects in the gravitational field are exceptionally small, unlike those in the electromagnetic field. The fundamental reason is that the gravitational coupling constant is about 43 orders of magnitude smaller than the fine structure constant, which governs light-matter interactions. For example, the detection of gravitons -- the hypothetical quanta of energy of the gravitational field predicted by certain quantum-gravity proposals -- is deemed to be practically impossible. In this letter we adopt a radically different, quantum-information-theoretic approach which circumvents the problem that quantum gravity is hard to test. We propose an experiment to witness quantum-like features in the gravitational field, by probing it with two masses each in a superposition of two locations. First, we prove the fact that any system (e.g. a field) capable of mediating entanglement between two quantum systems must itself be quantum. This argument is general and does not rely on any specific dynamics. Then, we propose an experiment to detect the entanglement generated between two masses via gravitational interaction. By our argument, the degree of entanglement between the masses is an indirect witness of the quantisation of the field mediating the interaction. Remarkably, this experiment does not require any quantum control over gravity itself. It is also closer to realisation than other proposals, such as detecting gravitons or detecting quantum gravitational vacuum fluctuations.

研究动机与目标

• 为解决长期存在的实验检验量子引力的难题，该难题因引力耦合常数极弱而难以实现。
• 通过提出更具可行性的替代方案，克服探测引力子或量子引力真空涨落的不切实际性。
• 证明通过引力在两个量子质量之间产生纠缠，意味着引力场本身必然是量子性质的。
• 提供一种可检验的、基于量子信息理论的框架，用以见证量子引力，而无需直接操控引力场。

提出的方法

• 将两个大质量粒子制备在两个空间位置的叠加态中，形成相干叠加态。
• 使粒子通过其相互引力势能发生相互作用，该势能作为纠缠的媒介。
• 应用量子信息论论证：若一系统能介导两个量子系统之间的纠缠，则该系统本身必然是量子的，无论其动力学如何。
• 使用量子态层析或干涉技术测量两个质量之间产生的纠缠。
• 将纠缠程度作为见证：任何非零纠缠均表明引力场是量子化的。
• 设计实验时采用当前或近未来技术可实现的方案，避免对引力实施量子控制。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅由引力介导的两个大质量粒子之间的纠缠，能否作为引力场量子化的见证？
• RQ2 是否可能在不探测引力子或测量真空涨落的情况下，检测到引力场中的量子特征？
• RQ3 介导两个量子系统之间纠缠的场，其最小要求是什么？引力是否满足该条件？
• RQ4 能否基于量子信息论的论证，不依赖特定动力学模型，确立引力的量子本质？
• RQ5 与其它量子引力检验相比，该实验在多大程度上接近实验实现？

主要发现

• 任何能够介导两个量子系统之间纠缠的物理系统，其本身必然是量子的，这是一个与动力学无关的一般性结论。
• 两个处于叠加态的质量之间所观测到的纠缠，是引力场量子性质的直接见证。
• 该实验无需对引力实施量子控制，因此比涉及引力子探测的方案更具可行性。
• 该方法避免了直接测量极其微弱的量子引力效应，转而依赖纠缠作为特征信号。
• 该方案比其他量子引力检验（如探测引力子或真空涨落）更接近实验实现。
• 该框架基于量子信息原理，提供了一种稳健且与模型无关的量子引力见证。