[论文解读] Relative Acceleration Noise Mitigation for Entangling Masses via Quantum Gravity

Marko Toroš, Thomas W. van de Kamp+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2020

Quantum Electrodynamics and Casimir Effect被引用 2

一句话总结

本文提出通过将样品和装置均封闭在自由下落的舱室内，利用等效原理抑制惯性噪声，以减轻纠缠大质量粒子物质波干涉中的相对加速度噪声。研究表明，残余的气体碰撞噪声与重力梯度涨落噪声可被降低至可实现水平，从而在近期提出的量子引力检验方案中实现纠缠的可行探测。

ABSTRACT

Relative accelerations between a mass undergoing matter-wave interference and the associated apparatus, when not tracked, can appear as dephasing. It can be an important limiting factor in interferometry with large masses. Here we advocate taking conceptually the simplest solution: putting both the interfering mass and its associated apparatus in a freely falling capsule, so that the strongest inertial noise components vanish due to the equivalence principle. In this setting, we investigate two of the most important remaining noise sources: (a) the non-inertial jitter of the experimental setup which arises through gas collisions and photon scattering on the experimental apparatus as well as the walls of the enclosing capsule, and (b) the gravity-gradient noise, namely the fluctuating curvature change in a finite sized capsule arising from any untracked motion of external masses. We show that the former can be reduced below desired values by appropriate pressures and temperatures, while the latter can be fully mitigated in a controlled environment. We finally apply the analysis to a recent proposal for testing the quantum nature of gravity [S. Bose et. al. Phys. Rev. Lett 119, 240401 (2017)] through the entanglement of two masses undergoing interferometry. We show that the relevant entanglement witnessing is feasible in a freely falling capsule with achievable levels of relative acceleration noise.

研究动机与目标

• 解决大质量粒子物质波干涉中相对加速度噪声的挑战，该噪声可导致相位退相干并限制实验灵敏度。
• 克服宏观干涉仪中未追踪惯性力带来的限制，尤其是在量子引力检验中。
• 通过抑制主要噪声源，使近期提出的（Bose et al., 2017）两质量间纠缠的可观测性成为可能。
• 在受控的自由下落环境中，研究并量化残余噪声源——非惯性抖动与重力梯度噪声。
• 证明在可实现的实验参数下，噪声可被抑制至与通过引力探测量子纠缠相兼容的水平。

提出的方法

• 通过将干涉质量与装置均置于自由下落舱室内，利用等效原理抵消主要惯性噪声分量。
• 对装置与舱室壁上气体碰撞和光子散射引起的非惯性抖动进行建模，并推导出抑制该噪声的压力与温度条件。
• 分析由有限尺寸效应和外部质量未追踪运动引起的重力梯度噪声，量化其曲率涨落贡献。
• 采用线性化引力与随机噪声建模方法，评估重力梯度涨落对干涉相位相干性的影响。
• 将噪声模型整合进Bose et al. (2017) 提出的框架中，评估在真实噪声条件下纠缠观测的可行性。
• 确定压力、温度与环境控制的阈值，以确保噪声保持在纠缠探测所需灵敏度以下。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用等效原理抑制纠缠大质量粒子物质波干涉中的主要惯性噪声？
• RQ2 通过控制压力与温度，非惯性抖动（来自气体碰撞与光子散射）能降低到何种程度？
• RQ3 在有限尺寸的自由下落舱室内，重力梯度噪声有多显著？在受控环境中是否可完全抑制？
• RQ4 在自由下落舱室内可实现的噪声水平是多少，仍能支持Bose et al. (2017) 提案中纠缠的探测？
• RQ5 等效原理屏蔽与环境控制相结合，是否足以使相对加速度噪声与量子引力检验兼容？

主要发现

• 等效原理通过将质量与装置均置于自由下落舱室内，有效抑制了最强的惯性噪声分量。
• 通过将压力与温度控制在可实现的实验水平，气体碰撞与光子散射引起的非惯性抖动可被降低至所需阈值以下。
• 由未追踪外部质量运动引起的重力梯度噪声，在通过充分隔离与屏蔽的受控环境中可被完全抑制。
• 结合噪声抑制策略后，相对加速度噪声水平被降低至与Bose et al. (2017) 提案中纠缠探测兼容的水平。
• 分析证实，当干涉质量与装置均被封闭在自由下落舱室内时，纠缠观测在真实实验条件下是可行的。
• 本研究为压力与温度阈值提供了定量指导，以确保残余抖动噪声低于纠缠探测的灵敏度极限。