Gravitational Decoherence in Macroscopic Quantum Systems

The problem of how quantum mechanics gives rise to classicality has been debated for more than a century. A commonly proposed solution is decoherence, i.e. the gradual decay of superpositions in open quantum systems due to their inevitable interaction with their environment. However, the ability of decoherence to account for all aspects of the classical world is often questioned. A recently proposed model suggests that decoherence can occur even in isolated composite systems subject to gravitational time dilation, something which has sparked a debate. In this thesis we attempt to identify the precise role of decoherence in the quantum-to-classical transition (QTCT) and then use the result to analyze the validity of the newly proposed time dilation-induced decoherence mechanism. We find that the problem of the QTCT can be divided into two parts and that decoherence solves the first of these whereas the second is unsolvable without fundamental modifications to quantum theory. Moreover, we argue that the effect is fundamentally frame-dependent and we find a general formula for the rate of decoherence of macroscopic superpositions in the case where both the system and observer use Rindler coordinates. The result suggests that the frame-dependence may be utilized to increase the strength of the effect in experimental settings. Finally, the possibilities of experimental verification are discussed and we argue that recent advances in quantum measurement techniques in gravitational-wave observatories may enable tests of gravitational decoherence in the near future, finally providing an empirical glimpse into the resolution of one of the most critical debates in all of physics.Huruvida kvantfysiken kan ge uppkomst till den klassiska fysiken på stora skalor är ett problem som diskuterats under mer än ett århundrade. En föreslagen lösning är dekoherens, alltså det gradvisa sönderfallet av superpositioner i öppna kvantsystem på grund av den oundvikliga interaktionen med deras omgivning. Dekoherensens förmåga att förklara alla delar av den klassiska världen ifrågasätts emellertid fortfarande. De senaste åren har en ny effekt uppmärksammats som tyder på att dekoherens även kan uppstå i isolerade kompositsystem under påverkan av gravitationell tidsdilatation, något som orsakat en debatt i litteraturen. I detta arbete försöker vi identifiera dekoherensens roll i övergången från det kvantmekaniska till det klassiska, och vi använder sedan resultatet för att analysera den ovannämnda gravitationella dekoherensmekanismen. Det allmänna problemet med övergången från kvantfysik till klassisk fysik delas upp i två delar, och vi visar att dekoherens löser den första delen; den andra delen visar sig vara olösbar utan fundamentala förändringar av kvantfysikens ramverk. Vidare visas den gravitationella dekoherenseffekten vara observatörsberoende och vi härleder en allmän formel för takten med vilken makroskopiska superpositioner sönderfaller i de fall då både systemet och observatören använder Rindlerkoordinater. Resultaten tyder på att observatörsberoendet eventuellt kan utnyttjas för att öka effektens styrka i experimentalla sammanhang. Slutligen diskuteras möjligheter att experimentellt verifiera effekten; vi argumenterar för att nya genombrott inom kvantmätteknik i gravitationsvågsobservatorium kan möjliggöra tester av gravitationell dekoherens inom en snar framtid, vilket skulle ge oss en första empirisk inblick i lösningen till en av fysikens mest kritiska debatter