[论文解读] Limit on spatial quantum superpositions with massive objects due to phonons

Carsten Henkel, R. Folman|arXiv (Cornell University)|May 24, 2023

Quantum Mechanics and Applications被引用 18

一句话总结

论文提出一种来自声子的通用内部去相干机制，限制大质量物体的空间量子叠加，与外部隔离无关，并将其与黑体辐射效应进行比较。

ABSTRACT

It has been a long-standing goal to bring massive objects into a superposition of different locations in real space, not only to confirm quantum theory in new regimes, but also to explore the interface with gravity. The main challenge is usually thought to arise from forces or scattering due to environmental fields and particles that decohere the large object's wave function into a statistical mixture. We unveil a decoherence channel which cannot be eliminated by improved isolation from the environment. It originates from sound waves within the object, which are excited as part of any splitting process and carry partial "Welcher Weg" information. This puts stringent constraints on future spatial superpositions of large objects.

研究动机与目标

• 激发对大质量物体空间量子叠加的研究，并识别一个通用的内部去相干通道。
• 建立一个材料和相互作用无关的模型，用以量化分裂过程中声子诱导的正交性。
• 展示力的均匀性和绝热力学剖面如何抑制声子激发。
• 在不同参数区间比较声子诱导的去相干与黑体辐射去相干。
• 提出通过力的均匀性或绝热性约束来绕过这一通用极限的潜在途径。

提出的方法

• 采用一个通用的分裂模型，对每个原子施加力 F_i=-α_i U'(x)，并要求物体内部的力保持均匀以避免声子激发。
• 将问题用法线模（声子）表示，并推导模式振幅 q_k(t) 的被驱动振子方程。
• 将声子诱导的相干性损失计算为类似 Debye–Waller 因子的形式，得到模式的乘积以得到干涉对比度。
• 假设一个简单、未相关的力涨落模型，功率谱 δF/F，并对声子模求和，得到仅依赖体积和模谱的普遍对比度损失。
• 分析三种不同绝热性的力轮廓及其对声子激发的影响。
• 将结果与黑体辐射去相干进行比较，并绘出声子占优的参数区间。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大质量物体内部的声子激发是否会普遍限制空间量子叠加，无论外部隔离情况如何？
• RQ2 力的均匀性以及分裂协议的绝热性如何影响声子诱导的正交性和干涉对比？
• RQ3 在物体尺寸、温度和分裂参数范围内，声子诱导的去相干与黑体辐射去相干如何比较？
• RQ4 哪些参数区间（物体尺寸、温度、力轮廓）仍然允许观测到空间叠加，以及如何克服这些极限？
• RQ5 在不引入标准量子理论之外的新物理的前提下，哪些实际途径可以减轻声子去相干？

主要发现

• 在分裂过程中激发的声子产生固有正交性，抑制干涉，确立了空间相干性的普遍极限。
• 更具绝热性的力轮廓减少声子激发，从而降低相干损失。
• 对于寒冷、体积较大的物体，声子起始去相干占主导；对于高温和较小的分裂，黑体辐射去相干占主导。
• 该极限随物体体积的增加而增强，与物体形状或特定相互作用势在很大程度上无关。
• 两种潜在的克服方法是 (i) 通过材料纯净度和平移不变性实现近完美的力均匀性，以及 (ii) 使用高度绝热的力轮廓，接受更长的时间以及可能的黑体去相干权衡。
• 该框架提供一个在材料和几何结构中都有效的典型对比度量，区分内部（声子）去相干与环境通道。