Verschränkungs-erweiterter Testvorschlag für lokale Verletzung der Lorentz-Symmetrie durch Spinoratome

Zeitstempel: 14. November 2022, 8:11 Uhr
Quellknoten: 1755471

Min Zhuang1, Jiahao Huang2,3, und Chaohong-Lee1,2,3

1Hochschule für Physik und Optoelektronik, Universität Shenzhen, Shenzhen 518060, China
2Guangdong Provincial Key Laboratory of Quantum Metrology and Sensing & School of Physics and Astronomy, Sun Yat-Sen University (Zhuhai Campus), Zhuhai 519082, China
3Staatliches Schlüssellabor für optoelektronische Materialien und Technologien, Sun Yat-Sen-Universität (Guangzhou Campus), Guangzhou 510275, China

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Abstrakt

Die Invarianz unter Lorentz-Transformationen ist sowohl für das Standardmodell als auch für die allgemeine Relativitätstheorie von grundlegender Bedeutung. Das Testen der Verletzung der Lorentz-Symmetrie (LSV) über atomare Systeme zieht sowohl in der Theorie als auch im Experiment umfangreiches Interesse auf sich. In mehreren Testvorschlägen werden die LSV-Verletzungseffekte als lokale Wechselwirkung beschrieben und die entsprechende Testpräzision kann asymptotisch die Heisenberg-Grenze über zunehmende Quanten-Fisher-Informationen (QFI) erreichen, aber die begrenzte Auflösung kollektiver Observablen verhindert die Erkennung großer QFI. Hier schlagen wir eine Multimode-Vielteilchen-Quanteninterferometrie zum Testen des LSV-Parameters $kappa$ über ein Ensemble von Spinoratomen vor. Durch die Verwendung eines $N$-Atom-Multimode-GHZ-Zustands kann die Testpräzision die Heisenberg-Grenze $Delta kappa propto 1/(F^2N)$ mit der Spinlänge $F$ und der Atomzahl $N$ erreichen. Wir finden eine realistische Observable (dh praktisches Messverfahren), um die ultimative Präzision zu erreichen und analysieren den LSV-Test über eine experimentell zugängliche Drei-Moden-Interferometrie mit Bose-kondensierten Spin-$1$-Atomen zum Beispiel. Durch Auswahl geeigneter Eingangszustände und einheitlicher Rekombinationsoperation kann der LSV-Parameter $kappa$ über eine realisierbare Populationsmessung extrahiert werden. Insbesondere die Messgenauigkeit des LSV-Parameters $kappa$ kann die Standard-Quantengrenze übertreffen und sich sogar der Heisenberg-Grenze durch Spinmischungsdynamik oder Durchfahren von Quantenphasenübergängen annähern. Darüber hinaus ist das Schema robust gegenüber nicht-adiabatischen Effekten und Detektionsrauschen. Unser Testschema kann einen praktikablen Weg für eine drastische Verbesserung der LSV-Tests mit atomaren Systemen eröffnen und eine alternative Anwendung von Mehrteilchen-Verschränkungszuständen bieten.

Populäre Zusammenfassung

Die Invarianz unter Lorentz-Transformationen ist sowohl für das Standardmodell als auch für die allgemeine Relativitätstheorie von grundlegender Bedeutung. Das Testen der Verletzung der Lorentz-Symmetrie (LSV) über atomare Systeme zieht sowohl in der Theorie als auch im Experiment umfangreiches Interesse auf sich. Hier schlagen wir eine Multimode-Vielteilchen-Quanteninterferometrie zum Testen des LSV-Parameters über ein Ensemble von Spinoratomen vor. Durch die Verwendung eines N-Atom-Multimode-GHZ-Zustands kann die Testpräzision die Heisenberg-Grenze erreichen. Wir finden eine realistische Observable (dh praktisches Messverfahren), um die ultimative Präzision zu erreichen, und analysieren den LSV-Test über eine experimentell zugängliche Drei-Moden-Interferometrie mit beispielsweise Bose-kondensierten Spin-1-Atomen. Durch Auswahl geeigneter Eingangszustände und einheitlicher Rekombinationsoperation kann der LSV-Parameter über eine realisierbare Populationsmessung extrahiert werden. Insbesondere die Messgenauigkeit des LSV-Parameters kann die Standard-Quantengrenze übertreffen und sich sogar der Heisenberg-Grenze durch Spinmischungsdynamik oder das Durchfahren von Quantenphasenübergängen annähern. Darüber hinaus ist das Schema robust gegenüber nicht-adiabatischen Effekten und Detektionsrauschen. Unser Testschema kann einen praktikablen Weg für eine drastische Verbesserung der LSV-Tests mit atomaren Systemen eröffnen und eine alternative Anwendung von Mehrteilchen-Verschränkungszuständen bieten.

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