The detection of gravitational waves in 2015 ushered in a new era of gravitational wave (GW) astronomy capable of probing the strong field dynamics of black holes and neutron stars. It has opened up an exciting new window for laboratory and space tests of Einstein’s theory of classical general relativity (GR). In recent years, two interesting proposals have aimed to reveal the quantum nature of perturbative gravity: (1) theoretical predictions on how graviton noise from the early universe, after the vacuum of the gravitational field was strongly squeezed by inflationary expansion; (2) experimental proposals using the quantum entanglement between two masses, each in a superposition (gravitational cat, or gravcat) state. The first proposal focuses on the stochastic properties of quantum fields (QFs), and the second invokes a key concept of quantum information (QI). An equally basic and interesting idea is to ask whether (and how) gravity might be responsible for a quantum system becoming classical in appearance, known as gravitational decoherence. Decoherence due to gravity is of special interest because gravity is universal, meaning, gravitational interaction is present for all massive objects. This is an important issue in macroscopic quantum phenomena (MQP), underlining many proposals in alternative quantum theories (AQTs). To fully appreciate or conduct research in these exciting developments requires a working knowledge of classical GR, QF theory, and QI, plus some familiarity with stochastic processes (SPs), namely, noise in quantum fields and decohering environments. Traditionally a new researcher may be conversant in one or two of these four subjects: GR, QFT, QI, and SP, depending on his/her background. This tutorial attempts to provide the necessary connective tissues between them, helping an engaged reader from any one of these four subjects to leapfrog to the frontier of these interdisciplinary research topics. In the present version, we shall address the three topics listed in the title, excluding gravitational entanglement, because, despite the high attention some recent experimental proposals have received, its nature and implications in relation to quantum gravity still contain many controversial elements.

This paper and planned subsequent ones have two broad aims. First, we construct a theory for multipartite open quantum systems comprising several layers of structure with self-consistent backactions. We develop the graded influence action formalism [Behunin and Hu, Phys. Rev. A 82, 022507 (2010); Phys. Rev. A 84, 012902 (2011)] to account for the influences of successive sublayers on the dynamics of the variables of interest. Second, we apply these methods to the study of atom-field-medium interactions and highlight their merits over conventional methods. We consider a system of $N$ harmonic oscillators, modeling the internal degrees of freedom (IDFs) of $N$ neutral atoms (A), interacting with a quantum field (F), scalar here, for simplicity, altered by the presence of a dielectric medium (M). In this paper we use the coarse-grained and stochastic effective actions in the influence functional formalism to derive the stochastic equations for the reduced density matrices of the dynamical variables in the successive layers of structure. The term ``graded'' refers to the specific ordering of the coarse-graining procedures. Three layers of coarse graining are performed. First, integrating over the common bath of the dielectric oscillators results not only in the appearance of necessary dissipative properties of the dielectric but also in essential nuanced features such as non-Markovian spatial correlations in the dielectric. Second, integrating over the medium variables as a whole results in a dielectric-modified quantum field, the influence of the medium on the quantum field manifesting through a frequency-dependent permittivity function. Finally, integrating over this dielectric-altered quantum field which interacts with the IDFs of the atoms allows us to derive an equation of motion which describes the nonequilibrium stochastic dynamics of the IDFs of the atoms interacting with a dielectric medium-modified quantum field. In the future we plan to calculate the nonequilibrium covariant matrix elements of the correlation functions of the IDFS of $N$ atoms in a dielectric-altered quantum field, which are useful for probing many basic quantum information issues, such as the entanglement dynamics in AFM interactions.