[论文解读] Full distribution functions of quantum noise in an interacting many-body system

Sebastian Hofferberth, Igor Lesanovsky+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2007

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 1

一句话总结

本研究首次通过一维玻色-爱因斯坦凝聚体实验，实现了对相互作用多体系统中量子噪声的完整分布分析。通过测量不同系统尺寸下单次实验间的干涉条纹对比度，观察到从泊松型噪声分布到极值型（Gumbel-type）噪声分布的转变，证实了Luttinger液体理论中的量子涨落与准长程序。

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.

研究动机与目标

• 实验表征相互作用多体系统中量子噪声的完整概率分布。
• 研究一维超冷原子气体中从热噪声到量子噪声的转变。
• 探测准长程序的存在，作为一维系统中量子涨落的特征。
• 通过干涉对比度的完整统计分析，验证基于Luttinger液体理论的理论预测。
• 为强关联量子系统中的量子噪声分布建立基准。

提出的方法

• 在受控的陷阱几何结构中制备成对独立产生的一维玻色-爱因斯坦凝聚体。
• 进行飞行时间膨胀以测量干涉条纹并逐次提取对比度值。
• 通过多次实验运行收集条纹对比度的统计数据，以重建完整的概率分布。
• 系统性地改变系统尺寸，以观察从泊松型到极值型（Gumbel-type）噪声分布的转变。
• 将实验分布与Luttinger液体形式理论预测进行比较。
• 通过分析分布函数的形状与标度，识别量子噪声与热噪声的特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 在一维玻色-爱因斯坦凝聚体中，干涉条纹对比度的完整分布如何随系统尺寸演化？
• RQ2 在相互作用多体系统中，量子噪声的统计分布是什么形式？其与热噪声有何不同？
• RQ3 能否通过干涉对比度的统计特性实验观测到准长程序？
• RQ4 实验噪声分布与基于Luttinger液体理论的预测在多大程度上吻合？
• RQ5 在一维相互作用系统中，从热噪声到量子噪声的转变具有何种本质特征？

主要发现

• 随着系统尺寸增大，干涉条纹对比度的完整分布从泊松型转变为极值型（Gumbel-type），表明噪声由热噪声向量子噪声转变。
• 观测到的极值型分布与Luttinger液体理论形式的预测高度一致。
• 实验数据首次为一维原子凝聚体中的准长程序提供了直接证据。
• 本研究证实，在一维系统强关联区域，量子涨落主导了噪声统计特性。
• 首次在实验上实现了对相互作用多体系统中量子噪声的完整统计分析。
• 结果表明，噪声分布的形状编码了低维量子多体系统中关联性的基本物理信息。