“Photonic” Cat States from Strongly Interacting Matter Waves

a) Fluctuations of density-density correlations for SIMCAS, a two-fold fragmented condensate in a strongly interacting, ultracold gas of bosonic atoms, with increasing degree of fragmentation (from left to right). The growth of the cat shows up by the increasing size of the bulges.


b) The ``dead'' (left) and ``alive'' (right) wavefunction parts of the cat (center) are revealed by plotting separately the density-density correlator.



에르빈 슈뢰딩거가 최초로 고안한 양자 고양이 상태는, 사람들이 거시 양자 역학의 매우 이상해 보이는 측면들에 대해 더 깊은 생각을 하도록 자극하여왔다. 최근의 기술로, 슈뢰딩거 시대의 사고실험(gedankenexperiment)에서 더 나아가 빛의 양자인 광자를 이용해 슈뢰딩거의 ‘새끼 고양이’ 상태를 구현할 수 있게 되었다. 그러나 이 새끼 고양이들의 크기는 수 개의 광자 정도로 제한되어 있다.

Uwe R. Fischer 교수와 소속 대학원생 강명균 학생은 이번에 Physical Review Letters 115, 260404 (2015) 에 출판된 논문에서, 질량이 없는 광자 대신 극저온의 양자 기체 안의 보즈 원자들을 강하게 상호작용하게 할 경우 새로운 종류의 새끼 고양이 상태를 만들 수 있음을 이론적으로 보였다. 일상적인 기준에서는 여전히 작은 수준이지만, 광자로 만들어지는 경우에 비교했을 때 원자로 이루어진 새끼 고양이 상태들은 잘 조정된 조건하에서 그 크기를 더 크게 키울 수 있다.

저자들이 SIMCAS(for `Strongly Interacting Matter Wave Cat States\') 라 이름붙인 이 물질파(matter wave) 새끼 고양이 상태는 더 작은 상호작용 하에서 존재하는 보즈 아인슈타인 응집체(Bose-Einstein Condensate) 와 매우 다른 비 고전적인(nonclassical) 다체(many-body) 중첩 상태이다. 결과적으로, 강하게 상호작용하는 양자 기체의 fundamental coupling constant들을 정밀하게 측정하기 위한 경계를 제공함으로써, SIMCAS는 quantum metrology에서의 새로운 가능성을 제시하였다.


이번 연구는 최근 박사학위 논문 심사를 마친 강명균 학생의 두 번째 논문이다. 이전 논문 또한 Physical Review Letters 에 출판되었으며, 이번 논문과 마찬가지로 지도교수인 피셔 교수와 함께 둘이 작성하였다.


The eponymous cat quantum states have originally been constructed by Erwin Schrödinger to stimulate deeper thought on the sometimes surreal aspects of macroscopic quantum mechanics. Present-day technology allows for going beyond the pure gedankenexperiment of Schrödinger’s day to create small cat states made from the quanta of light, photons, so-called Schrödinger “kittens”. However, the size of these kittens is usually severely limited to just a couple of photons.

As now shown by Prof. Fischer and Dr. Kang in Phys. Rev. Lett 115, 260404 (2015), choosing instead of the massless photons massive bosonic atoms in a quantum gas at ultracold temperatures, and making them strongly interact, a new species of kitten can be created.

While still remaining very small by everyday standards, these kittens can, under well-defined conditions, grow in size when compared to their photonic counterparts.

The matter wave kittens, termed SIMCAS (for `Strongly Interacting Matter Wave Cat States') by the authors, constitute, in stark distinction to the familiar Bose-Einstein condensates existing at smaller interactions, highly nonclassical many-body superposition states. As a consequence, SIMCAS pave the way for novel possibilities in quantum metrology, by providing bounds for the ultraprecise measurement of the fundamental coupling constants of strongly interacting quantum gases.


The present work represents the second paper of Dr. Kang during his recently defended PhD work at the department. The previous paper was also published in Physical Review Letters, and was, as the present one, prepared solely in collaboration with his advisor Prof. Fischer.


Phys. Rev. Lett. 115, 260404 (2015)

DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.115.260404