[论文解读] Matter-wave interferometry with composite quantum objects

Markus Arndt, Nadine Dörre+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 30, 2015

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 3被引用 7

一句话总结

本文提出先进的 matter-wave 干涉仪——Talbot-Lau、Kapitza-Dirac-Talbot-Lau（KDTL）和 OTIMA——可实现质量高达约 10^6 原子质量单位的复合粒子的量子干涉。通过相空间形式化和定制的光学或材料光栅，这些装置测试量子宏观性并探测 CSL 等塌缩模型，实现的宏观性等效于一个电子叠加态持续超过 10^12 秒。

ABSTRACT

We discuss modern developments in quantum optics with organic molecules, clusters and nanoparticles -- in particular recent realizations of near-field matter-wave interferometry. A unified theoretical description in phase space allows us to describe quantum interferometry in position space and in the time domain on an equal footing. In order to establish matter-wave interferometers as a universal tool, which can accept and address a variety of nanoparticles, we elaborate on new quantum optical elements, such as diffraction gratings made of matter and light, as well as their absorptive and dispersive interaction with complex materials. We present Talbot-Lau interferometry (TLI), the Kapitza-Dirac-Talbot-Lau interferometer (KDTLI) and interferometry with pulsed optical gratings (OTIMA) as the most advanced devices to study the quantum wave nature of composite matter. These experiments define the current mass and complexity record in interferometric explorations of quantum macroscopicity and they open new avenues to quantum assisted metrology with applications in physical chemistry and biomolecular physics.

研究动机与目标

• 开发并统一复杂、大质量量子物体的 matter-wave 干涉仪的理论与实验框架。
• 克服在大质量、热激发分子和纳米粒子干涉中面临的退相干挑战。
• 确立干涉仪作为探测宏观系统中量子行为的通用工具。
• 利用高质干涉测试量子理论的修正，如连续自发局域化（CSL）模型。
• 实现量子辅助计量，以高精度测量分子性质，如极化率和偶极矩。

提出的方法

• 通过 Wigner 函数采用统一的相空间描述，将位置域和时间域的干涉仪处理方式置于同等地位。
• 采用三光栅结构的 Talbot-Lau 干涉仪（TLI），实现对慢速、大质量粒子的高对比度干涉。
• 设计并利用脉冲光学光栅（OTIMA）实现时间域干涉，实现质量相关的透射调制。
• 应用 Kapitza-Dirac-Talbot-Lau（KDTL）干涉仪，利用短激光脉冲从光中产生相干衍射光栅。
• 利用物质波在纳米机械和光学光栅上的衍射，探测具有最多 200 个内部自由度系统的量子相干性。
• 对环境退相干和自发塌缩效应（如 CSL）进行建模，以评估大质量系统中量子叠加极限。

实验结果

研究问题

• RQ1 能够表现出相干 matter-wave 干涉的最大质量和复杂度的量子物体是什么？
• RQ2 近场干涉仪如 TLI、KDTL 和 OTIMA 如何用于在宏观尺度上检验量子力学的有效性？
• RQ3 环境相互作用（如碰撞和热辐射）在多大程度上导致大质量粒子干涉仪的退相干？
• RQ4 能否利用纳米粒子的量子干涉精确测量分子的本征性质，如极化率和偶极矩？
• RQ5 大质量系统中量子叠加的宏观性是多少？它如何约束量子理论的修正，如 CSL 模型？

主要发现

• KDTL 干涉仪实现了等效于单个电子处于叠加态持续超过 10^12 秒的宏观性值，为迄今最高水平。
• OTIMA 干涉仪展示了簇体透射的质量依赖性调制，证实了在时间域中实现高精度控制的量子干涉。
• 在时间域中观测到干涉共振，可见度取决于纳米粒子的质量和速度。
• 理论建模表明，使用质量约为 10^6 原子质量单位的金簇，OTIMA 可在当前参数化下测试 CSL 模型。
• 通过在高真空环境中使用超冷、慢速且高度准直的纳米粒子束，可有效缓解由碰撞和热辐射引起的退相干。
• 量子辅助偏转测量法实现了对复杂分子光学极化率、静态极化率和感应偶极矩的精确测量。