Photons quantum interference induced by space-time curvature: a possible verification method based on a space platform

The main subject of this PhD research has been to discuss the effects played by gravity on single photon interference in cases where photon propagation is over long distances (thousands or tens of thousands kilometres) with large variation of General Relativistic (GR) metric. Indeed space-time metric theoretically affects phase coherence of photons wave packets propagating in quantum superposition along trajectories at different gravitational potential; measurable interferometric effects should therefore arise with fringes and visibility characteristics depending on the specific experimental conditions. A possible experimental configuration involving Ground based elements and Space based elements, which potentially allows for this type of experimentation, has been identified in which photon states superposition and recombination are obtained using beam splitters appropriately arranged in two Mach-Zender like interferometers (one at Ground Station and one on-board a Spacecraft). Some of the key technologies have furthermore been discussed evidencing the peculiar aspects that deserve special development activity in case the experiment were actually pursued.

L’ obiettivo principale di questa ricerca di Dottorato è stato quello di discutere gli effetti gravitazionali sull’ interferenza tra gli stati di un unico fotone in casi nei quali la propagazione del fotone è su lunghe distanze (migliaia o decine di migliaia di chilometri) con notevoli variazioni della metrica di spazio-tempo (relativistica). In effetti la metrica modifica la coerenza di fase tra gli stati sovrapposti del fotone che si propagano su traiettorie con un diverso campo gravitazionale. Nascono quindi effetti interferometrici con frange e caratteristiche di visibilità che dipendono dalle specifiche condizioni. E stata quindi identificata una possibile configurazione sperimentale, basata su stazione di terra e su veicolo in orbita, potenzialmente in grado di evidenziare tali effetti di interferenza. In tale configurazione gli stati del fotone sono generati in sovrapposizione e poi ricomposti utilizzando ‘beam splitters’ configurati in accordo a interferometri tipo ‘Mach Zender’, uno previsto a terra e l’altro previsto a bordo del un veicolo spaziale. Alcune delle tecnologie principali sono quindi state discusse identificando gli aspetti peculiari che richiedono una attività di sviluppo qualora l’ esperimento fosse realmente perseguito.