[论文解读] Macroscopic quantum test with bulk acoustic wave resonators

Björn Schrinski, Yu Yang+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2022

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 7

一句话总结

该论文通过直接测量1 μg机械模式中Wigner函数的负值，利用蓝宝石晶体中的体声波谐振器，实现了迄今为止最宏观的量子检验，宏观性度量为μ = 11.3。实验在微克尺度上排除了经典描述，并通过退相干率的贝叶斯推断，对自发坍缩模型设定了约束。

ABSTRACT

Recently, solid-state mechanical resonators have become a platform for demonstrating non-classical behavior of systems involving a truly macroscopic number of particles. Here, we perform the most macroscopic quantum test in a mechanical resonator to date, which probes the validity of quantum mechanics at the microgram mass scale. This is done by a direct measurement of the Wigner function of a high-overtone bulk acoustic wave resonator mode, monitoring the gradual decay of negativities over tens of microseconds. While the obtained macroscopicity of $μ= 11.3$ is on par with state-of-the-art atom interferometers, future improvements of mode geometry and coherence times could confirm the quantum superposition principle at unprecedented scales.

研究动机与目标

• 在微克质量尺度上检验量子力学相对于宏观实在论修正的适用性。
• 在约10^16个原子处于相干运动的机械谐振器中，展示真正的量子行为。
• 通过Wigner函数负值和退相干率的贝叶斯推断，建立宏观性的基准。
• 利用非干涉测量的热加热数据，对自发坍缩模型（如CSL）设定改进的约束。
• 为未来设计用于在更大尺度上检验量子叠加的电机械系统提供指导。

提出的方法

• 通过压电层将超导量子比特与蓝宝石晶体中的高次谐波体声波模式耦合，实现量子态制备与读出。
• 利用量子比特的条件动力学执行的位移偶极测量，重构声子模式的Wigner函数。
• 对测量数据应用贝叶斯推断，以估计最大允许的扩散率Γ，该参数量化宏观实在论的修正。
• 基于推断出的Γ，通过最大排除相干时间τₑ的对数推导宏观性μ。
• 分析假设所有观测到的扩散均源于宏观实在论的坍缩，从而对τₑ和Γ提供保守的约束。
• 理论建模考虑了弛豫（γ↓）和扩散（Γ），以将测得的热占据数与坍缩模型的排除极限关联起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 在使用非经典态特征的机械谐振器中，所实现的最大宏观性μ是多少？
• RQ2 能否在有效质量为1 μg、相干时间长达40 μs的机械模式中观测到Wigner函数负值？
• RQ3 能否通过体声波谐振器中非干涉测量的热加热数据，对自发坍缩模型进行有效排除？
• RQ4 谐振器的几何形状在多大程度上影响未来宏观量子检验的潜力？
• RQ5 宏观性度量μ是否可以有意义地应用于具有亚核尺度空间分隔的组成原子的系统？

主要发现

• 实验实现了μ = 11.3的宏观性，是迄今为止在机械谐振器中实现的最宏观的量子检验。
• 在1 μg的体声波模式中，Wigner函数负值持续观测达40 μs，证实了非经典行为。
• 测得的弛豫率γ↓ ≈ 1/T₁，表明在5 × 10⁻⁷ m长度尺度上，τₑ < 1.9 × 10¹¹ s被排除。
• 推断出的最大无量纲扩散率Γ为0.016γ↓，与1.6%的热占据数一致。
• 理论建模证实，扩散率Γ与模式几何形状和材料参数成比例，为未来实验的优化提供了依据。
• 结果与近期关于非干涉坍缩模型检验的提议一致，体谐振器中扩散率表达式完全吻合。