[논문 리뷰] Full distribution functions of quantum noise in an interacting many-body system

Sebastian Hofferberth, Igor Lesanovsky외 5명|arXiv (Cornell University)|2007. 10. 08.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 상호작용하는 다체계에서의 양자 노이즈 전체 분포 분석을 처음으로 실험적으로 수행한 것으로, 일차원 보즈-아인슈타인 응축체를 사용한다. 다양한 시스템 크기에서 측정한 슈팅 간 간섭 무늬 대trast를 통해, 포isson 분포에서 구름벨 유형의 노이즈 분포로의 전이를 관찰하여 루팅거 액체 물리학에서의 양자 변동성과 준장거리 질서를 확인한다.

ABSTRACT

The probabilistic character of the measurement process is one of the most puzzling and fascinating aspects of quantum mechanics. In many-body systems quantum mechanical noise reveals non-local correlations of the underlying many-body states. Here, we provide a complete experimental analysis of the shot-to-shot variations of interference fringe contrast for pairs of independently created one-dimensional Bose condensates. Analyzing different system sizes we observe the crossover from thermal to quantum noise, reflected in a characteristic change in the distribution functions from Poissonian to Gumbel-type, in excellent agreement with theoretical predictions based on the Luttinger liquid formalism. We present the first experimental observation of quasi long-range order in one-dimensional atomic condensates, which is a hallmark of quantum fluctuations in one-dimensional systems. Furthermore, our experiments constitute the first analysis of the full distribution of quantum noise in an interacting many-body system.

연구 동기 및 목표

• 상호작용하는 다체계에서의 양자 노이즈 전체 확률 분포를 실험적으로 특성화하는 것.
• 일차원 초냉각 원자 기체에서 열적 노이즈에서 양자 노이즈로의 전이를 조사하는 것.
• 1D 시스템에서의 양자 변동성의 징후인 준장거리 질서의 존재를 탐색하는 것.
• 간섭 대비의 전체 통계 분석을 통해 루팅거 액체 이론에 기반한 이론 예측을 검증하는 것.
• 강한 상관관계를 가진 양자 시스템에서의 양자 노이즈 분포에 대한 벤치마크를 설정하는 것.

제안 방법

• 통제된 트랩 기하구조에서 독립적으로 생성된 일차원 보즈-아인슈타인 응축체 쌍을 준비하는 것.
• 시간에 따른 확장을 수행하여 간섭 무늬를 측정하고, 슈팅 간에 대비 값을 추출하는 것.
• 다중 실험 런에 걸쳐 간섭 무늬 대비의 통계 데이터를 수집하여 전체 확률 분포를 재구성하는 것.
• 시스템 크기를 체계적으로 변화시켜 포isson 분포에서 구름벨 유형의 노이즈 분포로의 전이를 관찰하는 것.
• 실험적 분포를 루팅거 액체 형식에 기반한 이론 예측과 비교하는 것.
• 분포 함수의 형태와 스케일링을 분석하여 열적 노이즈와 양자 노이즈의 징후를 식별하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일차원 보즈-아인슈타인 응축체에서 간섭 무늬 대비의 전체 분포는 시스템 크기가 증가함에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 상호작용하는 다체계에서의 양자 노이즈를 묘사하는 통계 분포는 무엇이며, 열적 노이즈와 어떻게 다를까?
• RQ3 간섭 대비의 통계를 통해 준장거리 질서를 실험적으로 관찰할 수 있는가?
• RQ4 실험적 노이즈 분포는 루팅거 액체 이론에 기반한 이론 예측과 어느 정도 일치하는가?
• RQ5 1D 상호작용 시스템에서 열적 노이즈에서 양자 노이즈로의 전이의 본질은 무엇인가?

주요 결과

• 시스템 크기가 증가함에 따라 간섭 무늬 대비의 전체 분포가 포isson 분포에서 구름벨 유형으로 전이되며, 이는 열적 노이즈에서 양자 노이즈로의 전이를 시사한다.
• 관측된 구름벨 유형 분포는 루팅거 액체 형식에 기반한 이론 예측과 뛰어난 일치를 보인다.
• 실험 데이터는 일차원 원자 응축체에서의 준장거리 질서에 대한 첫 직접적 증거를 제공한다.
• 이 연구는 1D 시스템의 강한 상관관계 영역에서 양자 변동성이 노이즈 통계를 지배한다는 것을 확인한다.
• 상호작용하는 다체계에서의 양자 노이즈 전체 통계 분석이 처음으로 실험적으로 실현되었다.
• 결과는 노이즈 분포의 형태가 저차원 양자 시스템에서의 다체 상관관계에 대한 기본 정보를 담고 있음을 보여준다.