[论文解读] A proposed test of quantum mechanics with three connected atomic clock transitions

Mark G. Raizen, Gerald Gilbert+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2022

Advanced Frequency and Time Standards参考文献 21被引用 5

一句话总结

本文提出利用囚禁离子和中性原子中的三个相互关联的原子钟跃迁，测试量子力学的扩展理论，借助现代原子钟的高精度检测史蒂文·温伯格非线性量子力学所预测的偏离。关键贡献在于识别出实际可行的实验系统——特别是 226Ra+、40Ca+ 和 171Yb——可在其中开展此类测试，其中 171Yb 在探测标准量子力学之外的新物理方面具有最高的灵敏度。

ABSTRACT

We consider possible extensions to quantum mechanics proposed by Steven Weinberg, and re-analyze his prediction of a new test based upon three atomic clocks in the same atom. We propose realistic experimental systems where this hypothesis can be tested. Two systems already set limits on deviations from quantum mechanics, while with another system, one would be able to search for new physics at the limit of sensitivity of the best atomic clocks.

研究动机与目标

• 测试史蒂文·温伯格于 2016 年提出的假设：量子力学可能存在非线性，其偏离可通过原子钟跃迁检测。
• 识别存在三个相互关联钟跃迁的现实实验系统，以实现对温伯格预测的直接检验。
• 确立现有 226Ra+ 和 40Ca+ 数据已对标准量子力学的偏离提供初步限制。
• 提出中性 171Yb 原子作为下一代平台，具备实现非线性量子效应超高端精度测试的潜力。
• 实现对量子力学基础性扩展的实验验证，该扩展可能解决波函数坍缩和时间之箭等基础性问题。

提出的方法

• 利用 Lindblad 形式化方法建模量子力学的非线性扩展，预测两个钟跃迁频率之和（1+2）不等于第三个频率（3）。
• 选择具有三个能级通过跃迁连接的原子系统：|A⟩→|B⟩（1），|B⟩→|C⟩（2），以及 |A⟩→|C⟩（3），形成一个闭合的跃迁三角形。
• 聚焦于具有高精度钟跃迁的系统——特别是电四极矩和电偶极跃迁——通过囚禁离子和中性原子中的激光光谱测量实现。
• 利用 226Ra+ 和 40Ca+ 中现有的高精度测量结果，设定当前实验对频率非加性（1+2≠3）的限制。
• 提出中性 171Yb 原子作为更优平台，因其具有长寿命、高精度的钟跃迁，且适用于光学晶格和单离子囚禁。
• 考虑实验中的复杂因素，如非对称线型和量子干涉效应，这些可能影响钟读出，必须被精确建模。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过三个相互关联的原子钟跃迁在实验中检测到对标准量子力学预测（1+2=3）的偏离？
• RQ2 哪些原子系统为检验温伯格非线性量子力学假说提供了最有利条件？
• RQ3 现有 226Ra+ 和 40Ca+ 测量在多大程度上已约束了量子力学中的非线性可能性？
• RQ4 如何优化未来 171Yb 原子实验的精度，以探测量子力学的灵敏度前沿？
• RQ5 在这些实验中，必须控制的主要系统效应（如量子干涉和线型不对称性）是什么？

主要发现

• 单个囚禁 226Ra+ 离子的现有数据未显示频率非加性（1+2≠3）的证据，当前精度限制约为 30 MHz。
• 40Ca+ 离子的测量对频率加性偏离设定了更严格的限制，约为 100 kHz，但仍未达到最佳原子钟的水平。
• 171Yb 系统被提议作为下一代平台，有望在 10^-18 相对频率精度水平探测非线性量子效应。
• 本文指出，只有具备三个高精度钟跃迁的系统——理想情况下全为电四极矩跃迁或已充分表征的跃迁——才能为温伯格假说提供清晰检验。
• 作者得出结论：未来基于 171Yb 原子的实验可能以当前原子钟技术的灵敏度前沿，探测标准量子力学之外的新物理。
• 本研究强调，尽管目前 Ra+ 和 Ca+ 的数据提供了有用的限制，但只有像 171Yb 这样的系统才具备实现决定性检验所必需的稳定性、相干性和精度的组合。