Entanglement gravitazionale migliorato tramite optomeccanica modulata

Entanglement gravitazionale migliorato tramite optomeccanica modulata

Timestamp: 8 novembre 2023 10:06 AM
Nodo di origine: 2374628

A. Douglas K. Platone1, Dennis Rätzel2,3e Chuanqi Wan

1Istituto di fisica, Università di Rostock, Albert-Einstein-Straße 23, 18059 Rostock, Germania
2ZARM, Università di Brema, Am Fallturm 2, 28359 Brema, Germania
3Istituto di fisica, Humboldt Universität zu Berlin, Newtonstraße 15, 12489 Berlino, Germania

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Astratto

Il ruolo dell’entanglement nel determinare la non-classicità di una data interazione ha acquisito notevole popolarità negli ultimi anni. In particolare, come base per nuove proposte sperimentali per testare la natura quantistica del campo gravitazionale. Qui mostriamo che il tasso di entanglement mediato dalla gravità tra due sistemi optomeccanici altrimenti isolati può essere significativamente aumentato modulando l'accoppiamento optomeccanico. Ciò è più pronunciato per i sistemi a massa ridotta e ad alta frequenza – utili per raggiungere il regime quantistico – e può portare a miglioramenti di diversi ordini di grandezza, nonché ad un ampliamento della finestra di misurazione. Tuttavia, permangono ancora ostacoli significativi. In particolare, troviamo che le modulazioni aumentano gli effetti di decoerenza alla stessa velocità dei miglioramenti dell'entanglement. Ciò si aggiunge alla crescente evidenza che il vincolo sul rumore (che agisce sulla posizione gdl) dipende solo dalla massa delle particelle, dalla separazione e dalla temperatura dell’ambiente e non può essere migliorato da un nuovo controllo quantistico. Infine, si evidenzia la stretta connessione tra l'osservazione delle correlazioni quantistiche ed i limiti di precisione della misura derivati ​​tramite il Cramér-Rao Bound. Una conseguenza immediata è che il sondaggio delle sovrapposizioni del campo gravitazionale pone requisiti simili sulla sensibilità del rivelatore come la verifica dell’entanglement.

Immagine in primo piano: due cavità di Fabry-Pérot portate nelle immediate vicinanze. Gli elementi in movimento interagiscono attraverso i loro campi gravitazionali. Al secondo ordine questo porta ad un accoppiamento $hat x_1 hat x_2$ e permette l'entanglement di generazione tra i modi meccanici. Questo viene scambiato avanti e indietro con i campi della cavità, che a loro volta si intrecciano attorno ai multipli del periodo meccanico $1/omega_m$.

Riepilogo popolare

Uno dei grandi misteri della fisica moderna è come conciliare la meccanica quantistica con la teoria generale della relatività. L’ipotesi prevalente è che il campo gravitazionale dovrebbe in qualche modo essere quantizzato, sebbene esistano numerosi approcci alternativi e la natura fondamentale della gravità rimanga ancora una questione aperta. Negli ultimi anni, tuttavia, una potenziale via per risolvere questo problema è emersa nel campo dell’informazione quantistica. L’idea è che certi tipi di correlazioni – ad esempio l’entanglement – ​​non possono essere creati tra due sottosistemi distinti se sono consentite solo operazioni locali (quantistiche) e comunicazione classica (LOCC). Ciò suggerisce che il rilevamento dell’entanglement mediato dalla gravità tra due masse su scala macroscopica indicherebbe che l’interazione è quantizzata o che la gravità agisce non localmente nel limite macroscopico.

Si prevede, tuttavia, che un simile esperimento sarà estremamente difficile, poiché il tasso di entanglement dipende dalla massa, dalla separazione e dalla dimensione della sovrapposizione (o, più in generale, dalla varianza) che può essere ottenuta durante l’evoluzione coerente. Quest'ultimo in particolare rappresenta un ostacolo significativo per i sistemi optomeccanici, che sono spesso considerati una delle piattaforme più attraenti per i test di fisica quantistica macroscopica. Questi si basano sulla pressione di radiazione di un campo luminoso per guidare la dinamica di un oscillatore meccanico, la cui varianza dipende da quella del campo e dalla forza dell'accoppiamento optomeccanico. Tuttavia, ottenere un'elevata varianza del numero di fotoni è in genere difficile, quindi l'approccio convenzionale consiste semplicemente nell'aumentare il numero di fotoni in un campo di luce coerente (possibilmente compresso). Ciò non può essere fatto senza limiti, poiché se gli elementi meccanici vengono spinti troppo forte rischiano di scontrarsi. Di conseguenza, i tempi di entanglement previsti sono in genere molto più lunghi anche dei tempi di rumore più ottimistici.

Per affrontare questo problema, mostriamo che se la forza di accoppiamento optomeccanico, $k$, può essere modulata vicino alla risonanza meccanica, allora il tasso di entanglement viene notevolmente aumentato, potenzialmente di diversi ordini di grandezza. Questo perché la pressione di radiazione porta ad una forza sugli elementi meccanici proporzionale all'accoppiamento, e quindi modulare $k$ equivale a pilotare in risonanza l'oscillatore. Poiché la forza è proporzionale anche al numero di fotoni, le fluttuazioni del campo vengono trasmesse alla meccanica, ma ora aumentate dall'aumento dello spostamento. Ciò significa che in condizioni ideali, senza rumore, i sistemi all’avanguardia potrebbero potenzialmente generare un apprezzabile entanglement dell’ordine di secondi.

Sfortunatamente, però, troviamo che anche la decoerenza viene aumentata in misura proporzionale. Ciò si aggiunge a un numero crescente di risultati – su più piattaforme – che suggeriscono l’esistenza di un limite di rumore inevitabile che dipende solo dal termine di interazione e dall’ambiente, ovvero non può essere mitigato dal controllo locale o dalla preparazione degli stati meccanici. In pratica, ciò ha gravi implicazioni per qualsiasi tentativo di sondare la gravità attraverso test di entanglement. Evidenziamo ulteriori difficoltà quantificando i livelli estremi di controllo necessari sulla dinamica, che nell'impostazione optomeccanica non lineare si riflette sia nel grado in cui le frequenze meccaniche di ciascun oscillatore devono corrispondere, sia nella precisione temporale della misurazione. Vincoli simili dovrebbero essere previsti in qualsiasi esperimento in cui l'entanglement viene trasferito dai gradi di libertà meccanici a quelli delle ancilla.

Infine, confrontiamo la nostra analisi con una varietà di metodi di approssimazione, dimostrando che questi sono spesso sufficienti per ottenere un tasso di entanglement accurato. In particolare, caratterizzando la sensibilità della misurazione quando due sistemi optomeccanici sono considerati come una coppia sensore-sorgente, troviamo che il tempo necessario per rilevare le fluttuazioni quantistiche nella sorgente coincide grosso modo con quello richiesto per stabilire un entanglement testimoniabile. Ciò evidenzia la stretta connessione con la metrologia quantistica e sottolinea l’importanza di migliorare le prestazioni dei sensori quando si tenta di accedere al regime di gravità quantistica.

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Citato da

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Le citazioni sopra sono di ANNUNCI SAO / NASA (ultimo aggiornamento riuscito 2023-11-09 03:08:59). L'elenco potrebbe essere incompleto poiché non tutti gli editori forniscono dati di citazione adeguati e completi.

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