[论文解读] Diosi-Penrose criterion for solids in quantum superpositions and a single-photon detector

Garrelt Quandt-Wiese|arXiv (Cornell University)|Jan 2, 2017

Mechanical and Optical Resonators参考文献 18被引用 3

一句话总结

本文提出了一种公式化方法，将Diosi-Penrose判据应用于处于量子叠加态的固体，同时考虑了微观质量分布与宏观形状。研究表明，当隔离时，单光子雪崩光电二极管可保持叠加态达数秒之久，且通过压电致动器可将退相干时间调节至微秒量级，从而实现对引力诱导波函数坍缩的受控检验。

ABSTRACT

A formulary for the application of the Diosi-Penrose criterion to solids in quantum superpositions is developed, which takes the solid's microscopic mass distribution (resulting from its nuclei) and its macroscopic shape into account, where the solid's states can differ by slightly different positions or extensions of the solid. For small displacements, smaller than the spatial variation of the solid's nuclei, the characteristic energy of the Diosi-Penrose criterion is mainly determined by the mass distribution of the nuclei. For large displacements, much larger than the solid's lattice constant, the solid can be idealised as a continuum, and the characteristic energy depends on the solid's shape and the direction of the displacement. In Diosi's approach, in which the mass density operator has to be smeared, the solid's microscopic mass distribution plays no role. The results are applied to a special single-photon avalanche photodiode detector, which interacts as little as possible with its environment. This is realised by disconnecting the detector from the measurement devices when it is in a superposition, and by biasing the photodiode by a plate capacitor, which is charged shortly before the photon's arrival. For a suitable choice of components, the detector can stay in a superposition for seconds; its lifetime can be shortened to microseconds with the help of a piezoactuator, which displaces a mass in the case of photon detection.

研究动机与目标

• 开发一种将Diosi-Penrose判据应用于固体量子叠加态的公式化方法，同时考虑微观质量分布与宏观形状。
• 分析该判据的特征能量如何随位移尺度（微观与宏观）相对于晶格常数的变化而变化。
• 设计一种单光子探测器，以最小化环境耦合，从而实现长寿命叠加态，用于检验量子引力效应。
• 展示通过压电致动器实现保持叠加态达数秒，并将其缩短至微秒量级的实验可行性。

提出的方法

• 基于固体的质量分布，推导小位移下Diosi-Penrose判据的特征能量，此时原子核位置具有决定性影响。
• 将大位移建模为连续体，表明形状与位移方向共同决定特征能量。
• 将该形式化方法应用于单光子雪崩光电二极管，通过电容偏置和在叠加态期间断开连接，实现最小环境耦合。
• 利用压电致动器在光子探测时诱导受控质量位移，实现退相干时间的可调性。
• 考虑Diosi方法中的质量密度算符，其中微观细节被平均化，与本研究公式化方法对原子核结构的敏感性进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在小位移情况下，Diosi-Penrose判据的特征能量如何依赖于固体的质量分布？
• RQ2 在大位移情况下，宏观形状与位移方向如何影响特征能量？
• RQ3 能否设计一种单光子探测器，使其在最小化环境相互作用的前提下保持叠加态达数秒？
• RQ4 通过机械位移，此类探测器的退相干时间在多大程度上可被控制？

主要发现

• 当位移小于原子核空间变化尺度时，特征能量主要由固体中核的分布决定。
• 当位移远大于晶格常数时，固体表现为连续体，特征能量取决于固体的形状与位移方向。
• 当探测器与测量设备断开连接，并通过在光子到达前短暂充电的平行板电容进行偏置时，可保持叠加态达数秒之久。
• 通过压电致动器在光子探测时位移质量，可将退相干时间缩短至微秒量级。
• 该公式化方法在Diosi-Penrose判据中考虑了微观质量分布，而Diosi原始的平均化方法中忽略了这一点。