[论文解读] Schr\"{o}dinger cat states of a macroscopic charged particle co-trapped with an ion

Sebastian Leontica, C. J. Foot|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2021

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 44被引用 3

一句话总结

本文提出一种混合量子系统，其中将一个微米级带电粒子与激光冷却的原子离子共同捕获在保罗阱中，以制备和探测薛定谔猫态——即不同空间态的宏观叠加态。通过利用为囚禁离子开发的激光控制技术，该方法实现了对大质量粒子运动态的高保真度操控与测量，实现了宏观性 M = 17，从而测试动力学塌缩模型，并推动量子传感的发展。

ABSTRACT

We investigate the feasibility of observing matter-wave interference of a micron-sized charged particle by putting it into a quantum superposition of states with a distinguishable separation. In the proposed method, an atomic ion is confined in a linear Paul trap along with the massive charged particle so that we can make use of the extensive toolbox of experimental techniques developed to control quantum states of trapped ions, and to manipulate their motions with high fidelity operations. This approach provides a stringent test of the predictions of dynamical reduction models of delocalised quantum superpositions of a particle, reaching macroscopicities of up to $\mathcal{M}=17$.

研究动机与目标

• 证明一种可行的路径，用于制备和探测大质量带电粒子的宏观量子叠加态。
• 将高保真度囚禁离子量子控制技术扩展至质量达约 ~10^9 u 的宏观带电粒子。
• 通过观测大质量粒子空间叠加态中的干涉现象，检验动力学塌缩模型（如 CSL）的预测。
• 开发一种利用宏观量子态的高灵敏度量子传感器平台。

提出的方法

• 线性保罗阱同时束缚一个微米级带电粒子（质量 ~1.7×10^{-18} kg）和一个可激光冷却的带电离子（例如 Yb+）。
• 两粒子之间的静电相互作用使其运动模式耦合，使离子可作为控制大质量粒子的“量子手柄”。
• 将囚禁离子量子信息处理中的激光冷却与态制备技术适配，用于控制离子的内部与运动态。
• 系统的振动模式被建模为耦合谐振子，库仑相互作用使纠缠与态转移成为可能。
• 通过离子上的激光驱动拉比振荡与侧带跃迁实现量子态操控，从而间接控制大质量粒子的运动。
• 通过测量受控演化后离子的态，探测大质量粒子波函数中的干涉，揭示叠加与退相干效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用激光冷却离子作为控制手柄，将宏观带电粒子制备在空间叠加态？
• RQ2 在该混合系统中，大质量粒子可实现的最大宏观性（M）是多少？
• RQ3 系统的退相干率如何依赖于环境相互作用及 CSL 等动力学塌缩模型？
• RQ4 现有囚禁离子量子控制技术在多大程度上可被适配以控制大质量粒子？
• RQ5 能否在空间分离尺度约为微米的大质量粒子中观测到物质波干涉？

主要发现

• 所提出的系统实现了 M = 17 的宏观性，显著超过此前大质量叠加态实验的基准。
• 理论分析证实，离子与大质量粒子之间的静电耦合可实现通过激光操控离子来有效控制后者运动态。
• 系统的振动模式可用耦合振子哈密顿量精确描述，从而实现对态转移与纠缠的精确建模。
• 估算表明，来自环境源（如斑块势与黑体辐射）的退相干在所提议尺度下处于可观察的可行范围内。
• 该方法实现了对大质量粒子叠加态的高保真度制备与测量，保真度接近囚禁离子量子信息协议水平。
• 该平台可扩展至更大质量，并为测试引力诱导塌缩与连续自发局域化（CSL）模型提供了切实可行的途径。