[论文解读] Testing Quantum Gravity with a Single Quantum System

Richard Howl, Vlatko Vedral+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2020

Quantum Mechanics and Applications被引用 7

一句话总结

本文提出了一种基于连续变量量子信息理论（CVQIT）的桌面级量子引力（QG）测试方法，通过检测单个大质量量子系统中的非高斯性来探测量子引力效应。与以往依赖多个系统之间纠缠的提案不同，该方法通过在单个系统中产生的非高斯性——一种可用于通用量子计算的资源——来探测QG效应，从而实现一种独立于局域相互作用和多体纠缠的测试。

ABSTRACT

Until recently, table-top tests of quantum gravity (QG) were thought to be practically impossible. However, due to a radical new approach to testing QG that uses principles of quantum information theory (QIT) and quantum technology, such tests now seem, remarkably, within sight. In particular, a promising test has been proposed where the generation of entanglement between two massive quantum systems, both in a superposition of two locations, would provide evidence of QG. In QIT, quantum information can be encoded in discrete variables, such as qubits, or continuous variables. The latter approach, called continuous-variable QIT (CVQIT), is extremely powerful as it has been very effective in applying QIT to quantum field theory. Here we apply CVQIT to QG, and show that another signature of QG would be the creation of non-Gaussianity, a continuous-variable resource that is necessary for universal quantum computation. In contrast to entanglement, non-Gaussianity can be applied to a single rather than multi-partite quantum system, and does not rely on local interactions. We use these attributes to describe a table-top test of QG that is based on just a single quantum system in a single location.

研究动机与目标

• 开发一种基于量子信息原理的可行桌面级量子引力测试方法。
• 克服以往QG测试方法对多个系统之间纠缠和局域相互作用的依赖性。
• 证明非高斯性——一种连续变量资源——可作为单个量子系统中量子引力的特征信号。
• 实现一种不依赖多体纠缠或局域相互作用的QG测试，从而提升实验可行性。

提出的方法

• 将连续变量量子信息理论（CVQIT）应用于量子引力，聚焦于非高斯性作为可探测的特征信号。
• 建模一个被制备在两个空间位置叠加态中的单个大质量量子系统。
• 利用量子场论框架分析由引力相互作用引起的非高斯性生成机制。
• 将非高斯性识别为一种可在单个系统中测量的资源，而无需纠缠或局域操作。
• 利用协议中不存在局域相互作用的特性，避免退相干和测量复杂性。
• 设计一种测试协议，使非高斯性仅由单个系统中的量子引力效应产生。

实验结果

研究问题

• RQ1 单个大质量量子系统中的非高斯性能否作为量子引力的可探测特征信号？
• RQ2 是否可能在不依赖多个系统之间纠缠的情况下测试量子引力？
• RQ3 连续变量量子信息理论如何实现对量子引力的桌面级测试？
• RQ4 在现实量子技术约束下，引力相互作用是否能在单个系统中生成非高斯性？
• RQ5 通过单个系统中的非高斯性探测量子引力所需的最低物理条件是什么？

主要发现

• 由于引力相互作用，非高斯性可在单个大质量量子系统中生成，从而作为量子引力的特征信号。
• 所提出的测试方法无需多个系统之间的纠缠，显著降低了实验复杂度。
• 非高斯性是通用量子计算的资源，因此是一种物理上有意义且可测量的量。
• 该方法独立于局域相互作用，最大限度减少了退相干风险，提升了实验可行性。
• 该协议仅需一个处于叠加态的量子系统，即可实现桌面级量子引力测试。
• 连续变量量子信息理论为在单个系统中探测量子引力效应提供了稳健的理论框架。