[论文解读] Decoherence of massive superpositions induced by coupling to a quantized gravitational field

Vlatko Vedral|arXiv (Cornell University)|May 29, 2020

Quantum Mechanics and Applications被引用 5

一句话总结

本文表明，即使在经典线性 regime下，由于引力势差引起的相位移，宏观量子叠加态仍可能因与量子化引力场的纠缠而退相干。关键贡献在于证明此类引力退相干与标准量子退相干机制无法区分，且表观退相干可通过自旋回声技术逆转，而真实坍缩则不能，从而为实验区分经典去相位、由量子纠缠引起的退相干与客观坍缩模型提供了途径。

ABSTRACT

We present a simple calculation leading to the quantum gravitationally-induced decoherence of a spatial superposition of a massive object in the linear coupling regime. The point of this calculation is to illustrate that the gravitationally-induced collapse could be of the same origin as any other collapse, i.e. due to the entanglement between the system (here a massive object) and its environment (in this case gravity, but it could well be the electromagnetic or any other field). We then point out that, in some cases, one has to be careful when concluding that matter-wave interference of large masses (to be quantified) would be prevented by their coupling to the gravitational field. We discuss how to experimentally discriminate between decoherence due to entanglement, decoherence due to classical dephasig as well as a genuine collapse of quantum superpositions (if such a process exists at all).

研究动机与目标

• 研究引力耦合是否可通过与量子化引力场的纠缠，在宏观叠加态中诱导退相干。
• 澄清由量子纠缠引起的引力退相干与由半经典引力引起的经典去相位之间的区别。
• 提出实验判据——特别是利用自旋回声技术——以区分纠缠诱导的退相干、经典去相位与真实客观坍缩的叠加态。
• 挑战引力耦合必然阻止物质波干涉的假设，引入‘虚假退相干’概念，即尽管存在纠缠，干涉仍可观测。
• 证明在宏观系统中（如双缝实验）抑制干涉的条件可通过引力子发射从量子力学推导，且与半经典模型结果一致。

提出的方法

• 将处于空间叠加态的宏观粒子建模为两个位置相距Δx，其与处于 coherent 状态的量子化引力场耦合。
• 计算由于两空间态之间能量差ΔE而引起的引力场相位移，其比例为ΔE/EP，其中EP为普朗克能量。
• 使用标准密度矩阵形式化方法对引力场进行部分迹运算，表明由此产生的约化密度矩阵因纠缠而表现出退相干。
• 应用自旋回声协议：在演化时间一半时交换叠加态的两个空间组分，以逆转经典去相位，证明其可逆性。
• 分析环境纠缠在干涉实验中的作用，表明若环境态在系统路径重新合并时能相干地重新组合，则干涉仍可被观测到。
• 推导引力子发射（引力辐射）破坏干涉的条件：Gm²d/r² ≥ hc/d，表明该条件与半经典模型中得出的普朗克尺度极限一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 引力场与量子化场的耦合是否会在宏观叠加态中诱导退相干？若会，其本质是否与其它退相干机制不同？
• RQ2 如何通过实验手段区分由半经典引力引起的经典去相位与由引力场纠缠引起的量子退相干？
• RQ3 在何种条件下，引力场的纠缠会导致干涉的不可逆损失？何时退相干是可逆的或‘虚假’的？
• RQ4 能否通过引力子的量子发射解释宏观双缝实验中由引力引起的干涉抑制？该解释是否与半经典预测一致？
• RQ5 是否可通过仅控制体系本身来逆转引力退相干？这对客观坍缩的本质意味着什么？

主要发现

• 引力退相干源于宏观叠加态与量子化引力场之间的纠缠，其退相干程度与两态能量差ΔE和普朗克能量EP之比成正比。
• 由半经典引力引起的经典去相位可通过自旋回声协议逆转，因其仅引入可被时间对称操作抵消的相对相位。
• 仅作用于系统本身无法逆转纠缠诱导的退相干；这需要对环境进行控制或实施主动纠错。
• 若引力场态在路径重新合并时能相干地重新组合，则即使存在引力纠缠，干涉仍可被观测到，此情形称为‘虚假退相干’。
• 引力子发射导致干涉破坏的条件——Gm²d/r² ≥ hc/d——与半经典模型中推导出的普朗克尺度极限一致，证实了量子与经典引力方法的一致性。
• 本文结论认为，若缺乏对环境的完整知识与控制，客观坍缩无法与退相干在体系动力学层面被区分，因此实验区分虽具挑战性但理论上可行。