Signatures of weak gravitational fields in quantum systems.
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Date
2025
Authors
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Publisher
Universidad de Concepción
Abstract
Esta tesis explora dos enfoques distintos dentro del contexto de los efectos de la gravedad en sistemas cuánticos en una aproximación semiclásica. La primera investigación se centra en la posibilidad de distinguir entre diferentes teorías métricas dentro del formalismo post-Newtoniano, empleando diversas estrategias de discriminación de estados cuánticos no ortogonales. Se analiza la evolución temporal de un reloj cuántico masivo, demostrando cómo las diferencias en los parámetros post-Newtonianos inducen estados cuánticos distinguibles. Se proponen esquemas basados en mediciones de von Neumann, discriminación con error mínimo y discriminación no ambigua, derivando las longitudes de propagación óptimas para maximizar la probabilidad de éxito en la identificación de la teoría métrica correcta. La segunda investigación explora cómo la rotación de fase de Wigner, inducida por un campo gravitacional en la polarización de un fotón, puede utilizarse como una herramienta para la metrología cuántica en el límite de campo débil y rotación lenta de la métrica de Kerr. Se analiza un interferómetro geodésico tipo Mach-Zehnder, considerando la dilatación temporal relativa y la rotación de la polarización del fotón como recursos para la estimación del parámetro de rotación. Los resultados teóricos sugieren el potencial de los sistemas cuánticos para sondear aspectos fundamentales de la gravedad y realizar mediciones de alta precisión de parámetros de algún espaciotiempo en partícular.
This thesis explores two distinct approaches within the context of the effects of gravity on quantum systems in a semiclassical approximation. The first investigation focuses on the possibility of distinguishing between different metric theories within the post-Newtonian formalism, employing various strategies for discriminating non-orthogonal quantum states. The temporal evolution of a massive quantum clock is analyzed, demonstrating how differences in post- Newtonian parameters induce distinguishable quantum states. Schemes based on von Neumann measurements, minimum-error discrimination, and unambiguous state discrimination are proposed, deriving the optimal propagation lengths to maximize the success probability in identifying the correct metric theory. The second investigation explores how the Wigner phase rotation, induced by a gravitational field on photon polarization, can be used as a tool for quantum sensing in the weak field and slow rotation limit of the Kerr metric. A geodesic Mach-Zehnder type interferometer is analyzed, considering relative time dilation and photon polarization rotation as resources for estimating the rotation parameter. The theoretical results suggest the potential of quantum systems to probe fundamental aspects of gravity and perform high-precision measurements of parameters of some particular spacetime.
This thesis explores two distinct approaches within the context of the effects of gravity on quantum systems in a semiclassical approximation. The first investigation focuses on the possibility of distinguishing between different metric theories within the post-Newtonian formalism, employing various strategies for discriminating non-orthogonal quantum states. The temporal evolution of a massive quantum clock is analyzed, demonstrating how differences in post- Newtonian parameters induce distinguishable quantum states. Schemes based on von Neumann measurements, minimum-error discrimination, and unambiguous state discrimination are proposed, deriving the optimal propagation lengths to maximize the success probability in identifying the correct metric theory. The second investigation explores how the Wigner phase rotation, induced by a gravitational field on photon polarization, can be used as a tool for quantum sensing in the weak field and slow rotation limit of the Kerr metric. A geodesic Mach-Zehnder type interferometer is analyzed, considering relative time dilation and photon polarization rotation as resources for estimating the rotation parameter. The theoretical results suggest the potential of quantum systems to probe fundamental aspects of gravity and perform high-precision measurements of parameters of some particular spacetime.
Description
Tesis presentada para optar al grado de Magíster en Ciencias con mención en Física.
Keywords
Gravity, Interferometry, Quantum systems