[论文解读] Testing the foundations of quantum physics in space Interferometric and non-interferometric tests with Large Particles

Giulio Gasbarri, Alessio Belenchia+6 more|ePrints Soton (University of Southampton)|Jun 9, 2021

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 2被引用 6

一句话总结

本补充材料为利用太空中大尺寸介电纳米颗粒检验量子基础理论的干涉与非干涉方法，提供了详细的理论推导与仿真结果。推导了广义塔尔博特系数、环境退相干核以及CSL模型核，展示了如何通过具有质量依赖灵敏度的激光光栅干涉仪探测量子到经典过渡，且在最优激光脉冲参数下实现最大信号对比度。

ABSTRACT

Quantum technologies are opening novel avenues for applied and fundamental science at an impressive pace. In this perspective article, we focus on the promises coming from the combination of quantum technologies and space science to test the very foundations of quantum physics and, possibly, new physics. In particular, we survey the field of mesoscopic superpositions of nanoparticles and the potential of interferometric and non-interferometric experiments in space for the investigation of the superposition principle of quantum mechanics and the quantum-to-classical transition. We delve into the possibilities offered by the state-of-the-art of nanoparticle physics projected in the space environment and discuss the numerous challenges, and the corresponding potential advancements, that the space environment presents. In doing this, we also offer an ab-initio estimate of the potential of space-based interferometry with some of the largest systems ever considered and show that there is room for tests of quantum mechanics at an unprecedented level of detail.

研究动机与目标

• 为在微重力环境中利用宏观介电纳米颗粒检验量子力学基础提供理论与计算支持。
• 通过广义塔尔博斯特系数，对光学光栅对纳米颗粒波函数的相干与非相干效应进行建模。
• 量化由残留气体碰撞与光子散射引起的环境退相干，以及由连续自发定域化（CSL）模型引起的退相干。
• 优化实验参数（如单位面积激光脉冲能量）以最大化量子、经典与CSL预测之间的可区分性。
• 实现空间实验中量子干涉图样与经典阴影图样、以及CSL诱导退相干效应的直接比较。

提出的方法

• 通过相干光栅响应 $ B^\text{coh}_n $ 与退相干掩模 $ R_n $ 的卷积，推导广义塔尔博斯特系数 $ B_n(s/d) $，并纳入散射与吸收效应。
• 基于光子散射与吸收截面计算环境退相干核 $ R_n $，包含动量转移与相位偏移。
• 通过含位置依赖噪声核 $ f_{\text{CSL}}(x) $ 的随机薛定谔方程建模CSL塌缩机制，其由CSL模型参数导出。
• 使用真实参数执行近场干涉仪的数值仿真：纳米颗粒质量 $ 10^7 - 10^{11} $ amu，激光波长 $ \lambda = 100 $ nm，阱参数 $ \nu_m = 10^5/(2\pi) $ Hz。
• 通过假设在20 K环境中经1秒光学冷却后内部温度为40 K，保守估计加热效应，整合热效应影响。
• 使用代价函数 $ \aleph_{QCSL} $ 与 $ \aleph_{QC} $，量化量子、经典与CSL预测之间的可区分性，作为时间与激光参数的函数。

实验结果

研究问题

• RQ1 广义塔尔博斯特系数 $ B_n(s/d) $ 如何编码相干光栅衍射与光子散射及吸收引起的非相干退相干之间的相互作用？
• RQ2 何种单位面积激光脉冲能量 $ E_L/a_L $ 能够使量子干涉与经典阴影图样的可区分性最大化？
• RQ3 CSL模型如何预测大颗粒干涉仪中偏离量子干涉的行为？何种质量尺度对这类偏离最敏感？
• RQ4 环境退相干机制（包括残留气体碰撞与光子散射）在多大程度上限制了空间实验中量子干涉的可见度？
• RQ5 光学捕获引起的热效应如何影响初始波函数制备及后续的干涉可见度？

主要发现

• 广义塔尔博斯特系数 $ B_n(s/d) $ 被推导为第一类贝塞尔函数的和，纳入了相干光栅响应与吸收及散射引起的退相干。
• 在 $ \hslash \to 0 $ 极限下，经典极限出现，仅相位偏移的虚部 $ b(s) $ 起作用，对应于光学力引起的经典动量冲量。
• 使 $ \aleph_{QCSL} $ 最大的最优 $ E_L/a_L $ 比值随纳米颗粒质量增加而增大，对于 $ 10^{11} $ amu 粒子可达 $ 5 \, \text{J/m}^2 $。
• 对于 $ 10^{11} $ amu 粒子，代价函数 $ \aleph_{QCSL} $ 达到约 0.85 的峰值，表明量子与CSL预测之间具有强可区分性。
• 仿真结果表明，经1秒冷却后内部温度为40 K的热效应不会显著改变干涉可见度，验证了模型的鲁棒性。
• CSL诱导的退相干核 $ f_{\text{CSL}}(x) $ 表达为动量空间上的积分，其依赖于 $ \lambda_{\text{CSL}} $、$ r_c $ 与粒子质量，从而可在不同质量尺度上进行灵敏度分析。