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Towards quantum experiments on gravitating objects

Philipp Martin Köhler

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Physik

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (DissG: Physik)

Betreuer*in

Markus Aspelmeyer

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DOI

10.25365/thesis.71023

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-13004.04961.294659-5

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Diese Arbeit gibt einen Überblick über Experimente zum Testen neu- artiger Dekohärenzphänomene und ihrer theoretischen Grundlagen. Die hier untersuchten Dekohärenzphänomene haben unterschiedli- che zu Grunde liegende Mechanismen, sei es durch relativistische Effekte oder Modifikationen der Quantenmechanik. In der Literatur wurden mehrere Ansätze für solche Experimente untersucht. Wir kon- zentrieren uns zunächst auf Phänomene im Zusammenhang mit der Allgemeinen Relativitätstheorie. Wir geben einen Überblick über die Wechselwirkungen eines Quantenzustands und eines externen Gravi- tationsfeldes mit relativistischen Eigenschaften. Dekohärenz kann aus Eigenzeitunterschieden in den Freiheitsgraden eines Quantenzustands entstehen. Diese Eigenzeitunterschiede führen zu einer Kopplung interner Freiheitsgrade innerhalb eines Quantenzustands. Diese Kopp- lungen ermöglichen die Generierung von „Welcher-Weg“-Information. Eine weitere in der Literatur analysierte Dekohärenzquelle ist auf einen Gravitationswellenhintergrund zurückzuführen. Dieser stochas- tische Hintergrund interagiert mit jedem Quantenzustand und führt zu Dekohärenz. Desweiteren werden wir Modifikationen der Quan- tenmechanik analysieren. Ursprünglich entstanden diese Modelle aus dem Wunsch, den Übergang von Quantensystemen zu klassischen Systemen zu beleuchten. Schon früh wurde erkannt, dass solche Modi- fikationen mit großer Sorgfalt vorgenommen werden müssen, um nicht in Widersprüche mit relativistischen Prinzipien zu geraten. Dennoch wurden nichtlineare Schrödinger-Gleichungen als mögliche Zwischen- lösung für den Übergang eines Systems mit Quanteneigenschaften in ein System mit klassischen Eigenschaften analysiert. Um einige der relativistischen Einschränkungen zu umgehen, kann die Schrödinger- Gleichung auch mit einer Nichtlinearität modifiziert werden, die mit einem stochastischen Teil ausgeglichen wird. Diese stochastische Er- gänzung ist notwendig, um überlichtschnelle Signale innerhalb der Theorie zu verhindern. Wir werden einige der theoretischen Ansätze in dieser Richtung analysieren und experimentelle Beschränkungen des Parameterraums solcher Theorien überprüfen. Wir beschreiben auch eine neue Reihe von Experimenten zum Testen solcher stochasti- scher Modelle (Kollapsmodelle) mit photonischen Kristallen und die Vorteile der Verwendung dieser Systeme, um den von der Theorie definierten Parameterraum einzuschränken. Zuletzt werden wir einen neuen experimentellen Ansatz vorstellen, um mögliche Beiträge einer weiteren (fünften) Kraft bei Messungen der Gravitationskraft zwischen kleinen Massen zu testen.

Abstract

(Englisch)

This thesis presents an overview of experiments to test novel decoher- ence phenomena and their theoretical foundations. The decoherence phenomena studied here have different origins, be it due to general relativistic effects or modifications of quantum mechanics. Multiple avenues for such experiments have been explored in the literature. We first focus on phenomena related to general relativity. We will give an overview over the interactions of a quantum state and an external gravitational field with general relativistic properties. Decoherence can arise from proper time differences in the degrees of freedom of a quantum state. These proper time differences lead to a coupling of internal degrees of freedom within a quantum state. These couplings allow for the generation of which path information. Another source of decoherence analyzed in the literature is due to a gravitational wave background. This stochastic background interacts with every quantum state and leads to decoherence. We will then analyze modifications of quantum mechanics. Initially, these models originated from the desire to shed light unto the quantum to classical transition. It was discovered early on that such modifications have to be done with great care as to not run into contradictions with relativistic princi- ples. Nevertheless, nonlinear Schrödinger equations were analyzed as a possible intermediate solution for the transition of a system with quantum properties to a system with classical ones. To circumvent some of the relativistic constraints, the Schrödinger equation can also be modified with a nonlinearity counterbalanced with a stochastic part. This stochastic property is necessary to prevent superluminal signaling within the theory. We analyze some of the theoretical efforts in this direction and review experimental constraints of the parameter space of such theories. We also describe a new set of experiments to test such stochastic models (collapse models) with photonic crystals and the advantages of using these systems to constrain the parameter space defined by the theory. Last, we will give a new experimental approach to test possible fifth-force contributions in measurements of gravity between small masses.

Autor*innen

Philipp Martin Köhler

Haupttitel (Englisch)

Towards quantum experiments on gravitating objects

Publikationsjahr

2021

Umfangsangabe

xii, 141 Seiten : Illustrationen

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Hendrik Ulbricht ,

Tomasz Paterek

Klassifikationen

33 Physik > 33.21 Relativität, Gravitation ,

33 Physik > 33.23 Quantenphysik

AC Nummer

AC16529896

Utheses ID

61551

Studienkennzahl

UA | 796 | 605 | 411 |

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