[论文解读] Probing Gravitational Cat States in Canonical Quantum Theory vs Objective Collapse Theories

Maaneli Derakhshani|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2016

Quantum Mechanics and Applications参考文献 29被引用 4

一句话总结

本文比较了在半经典与量子化牛顿引力下，规范量子理论（CQT）与客观坍缩理论（OCTs）对引力猫态的预测。结果表明，所提出的gravcat实验在原则上可区分将引力视为半经典与量子化的CQT与OCT，尤其揭示了GRW型与CSL型模型在坍缩动力学与探测响应上的差异。

ABSTRACT

Using as a testbed the recently proposed "gravcat" experimental scheme in [1], we compare the properties of gravitational cat states in three descriptions: (1) canonical quantum theory (CQT) combined with the Newtonian limit of GR, (2) objective collapse theories (OCTs) extended to the regime of semiclassical Newtonian gravity, and (3) OCTs extended to incorporate quantized Newtonian gravity. For the CQT approach, we follow the treatment of Hu and Anastopoulos in [2]. For the OCTs, we consider the GRW, CSL, DP, and Karolyhazy theories, based on the semiclassical approaches of Derakhshani [3] and Tilloy-Diosi [4], respectively, and we consider the most straightforward extension of the aforementioned OCTs to the regime of quantized Newtonian gravity. We show that the gravitational cat scheme can, in principle, experimentally discriminate the quantum jumps in gravitational cat states predicted by the CQT approach and the quantized-gravity OCTs (which we show make effectively the same predictions as each other), from the predictions of the semiclassical-gravitational OCTs. We also show that the GRW and Karolyhazy versions of semiclassical gravity (based on Derakhshani's approach) make distinctly different predictions from the CSL and DP versions of semiclassical gravity (based either on Derakhshani's approach or the Tilloy-Diosi approach).

研究动机与目标

• 评估将引力扩展至半经典与量子化牛顿引力的客观坍缩理论（OCTs）在gravcat实验中的实证预测。
• 将这些预测与结合广义相对论牛顿极限的规范量子理论（CQT）的预测进行比较。
• 确定gravcat设置是否能实验区分不同OCT模型之间以及OCT与CQT之间的差异。
• 阐明在半经典与量子化引力下，GRW、CSL、DP与Karolyhazy模型在坍缩动力学与退相干速率方面的差异。
• 评估环境引力耦合对gravcat设置中坍缩速率与探测响应的影响。

提出的方法

• 将Derakhshani、Anastopoulos与Hu（2016）提出的gravcat探测器设置适配至CQT与OCT的预测检验。
• 在CQT中应用广义相对论的牛顿极限，以模拟叠加质量产生的引力场。
• 将GRW、CSL、DP与Karolyhazy理论扩展至半经典与量子化牛顿引力框架。
• 利用各OCT模型特有的主方程，推导出坍缩速率、退相干时间与探测响应概率。
• 通过分析探测器检测到叠加质量引力场的概率，比较各模型的预测。
• 评估探测器与环境质量的引力耦合对坍缩动力学与隧穿速率的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 gravcat实验能否区分规范量子理论与将引力视为半经典的客观坍缩理论的预测？
• RQ2 当引力被视作半经典或量子化时，不同OCT（GRW、CSL、DP、Karolyhazy）的预测有何差异？
• RQ3 探测器或环境质量的引力耦合是否改变OCT中的坍缩速率，其对实验结果有何影响？
• RQ4 在Schrödinger-Newton方程中，自相互作用（SN）在OCT中维持猫态方面起何作用？
• RQ5 gravcat设置能否检测到GRW型与CSL型模型在退相干速率与隧穿概率上的差异？

主要发现

• 由于坍缩动力学不同，gravcat设置在原则上可实验区分CQT-Newton与将引力视为半经典的OCT。
• 在半经典引力框架下，GRW与Karolyhazy模型的预测与CSL及DP模型存在显著差异，尤其体现在坍缩速率与退相干行为上。
• TD-CSL与TD-DP模型预测在势阱间隧穿可忽略，其结果与mN（质量依赖）模型几乎完全一致。
• KmN模型对10¹⁴ amu微球的坍缩速率约为~0.1 s⁻¹，处于Pino等协议的相干时间范围内，但由于坍缩宽度较小，对探测器无净作用力。
• GRW0-Newton预测探测器耦合会增加坍缩速率，导致其在经典探测器设置下的预测几乎与CQT-Newton完全相同。
• 在gravcat设置中，CSL0-Newton、DP0-Newton与K0-Newton模型的预测与GRW0-Newton模型基本相同，原因在于其相似的坍缩机制与速率。