Квантовый секрет гравитации: как ученые собираются его раскрыть?

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

2 мая 2024, 10:32

Гравитация — самая слабая и, пожалуй, самая загадочная из фундаментальных сил природы. Ее влияние ощущает каждый из нас, но ее истинная природа остается окутана тайной. Физики всего мира бьются над вопросом: является ли гравитация по сути своей классическим или квантовым полем? И, возможно, нечто совершенно иным, выходящим за рамки привычных представлений?

Квантовая гравитация

Автор: Designer

Пока что у нас нет возможности заглянуть в самые глубины гравитационной загадки, но ученые не сдаются и ищут обходные пути. Один из них — проверка гипотезы о существовании суперпозиции пространства-времени, то есть одновременного существования разных классических конфигураций.

Квантовая головоломка: запутанность и гравитация

Современные теории предполагают, что классическое гравитационное поле не способно «запутать» квантовые системы. Запутанность — это квантовая корреляция между частицами, при которой состояние одной частицы мгновенно влияет на состояние другой, независимо от расстояния между ними. Представьте себе две монетки, которые всегда падают одинаковой стороной, даже если разбросать их на разных концах Вселенной. Такая связь кажется невозможной в классическом мире, но в квантовом — это реальность.

(a) Квантовые системы A 1, …, A n, изначально подготовленные в случайном чистом состоянии { p α, ψ α } α развиваются с помощью когерентной глобальной изометрии U. (b) Те же системы проходят эволюцию, моделируемую LOCC. В обоих случаях в конце значение α раскрывается, и система подвергается бинарному измерению ( ψ ′ α, 1 — ψ ′ α ), где | ψ ′ α ⟩ ≔ U | ψ α ⟩ .

Автор: Testing the Quantumness of Gravity without Entanglement Ludovico Lami, Julen S. Pedernales, and Martin B. Plenio Phys. Rev. X 14, 021022 — Published 1 May 2024 DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevX.14.021022 CC-BY 4.0 Источник: journals.aps.org

Исследователи предлагают «бросить вызов» гравитации, пытаясь создать запутанные состояния между частицами, изначально не связанными друг с другом. Если гравитация — классическое поле, то она не сможет справиться с этой задачей. А вот если она имеет квантовую природу, то запутанность возникнет, тем самым раскрывая свою тайну.

Система одномерных квантовых гармонических осцилляторов. Различные углы определены в уравнении (60). Заметим, что для наиболее общего трехмерного расположения две пунктирные линии не пересекаются.

Однако реализовать подобные эксперименты невероятно сложно. Для этого нужно создать суперпозицию достаточно массивных объектов, чтобы они генерировали заметное гравитационное поле. Пока что ученым удалось добиться суперпозиции лишь для молекул, чья масса ничтожно мала по сравнению с макроскопическими телами.

Новый подход: от запутанности к динамике

Но что если искать квантовый характер гравитации не в запутанности, а в динамике частиц? Ведь квантовые процессы могут быть невероятно сложными и непредсказуемыми, даже если запутанность в них отсутствует.

Вместо того чтобы пытаться создать запутанные состояния, ученые предлагают изучать, насколько точно можно воспроизвести эволюцию системы под действием гравитации с помощью локальных операций и классической коммуникации (LOCC). LOCC — это своего рода «классическая» модель взаимодействия, где частицы обмениваются информацией только локально, без квантовых «прыжков».

Представьте, что вы наблюдаете за танцем двух бабочек. Если их движения хаотичны и непредсказуемы, то скорее всего, они взаимодействуют друг с другом каким-то сложным, возможно, квантовым образом. Но если они летают строго по определенной траектории, то можно предположить, что они просто следуют заранее заданной программе, обмениваясь информацией локально, как роботы.

Аналогично, если эволюция квантовой системы под действием гравитации не поддается точному воспроизведению с помощью LOCC-модели, это будет свидетельствовать о ее квантовом характере.

Квантовые осцилляторы: поиск гравитационной гармонии

В качестве «подопытных» ученые предлагают использовать квантовые гармонические осцилляторы — частицы, которые колеблются с определенной частотой, подобно маятникам. Изменяя начальные условия и отслеживая траектории этих осцилляторов, можно получить ценную информацию о природе гравитационного взаимодействия.

Два гармонических осциллятора согласованы.

В частности, если система из нескольких осцилляторов, изначально находящихся в когерентных состояниях (своего рода квантовых аналогах классических колебаний), эволюционирует под действием гравитации, то ее состояние во времени будет очень сложно воспроизвести с помощью LOCC-модели. Это связано с тем, что гравитация вносит свою «квантовую нотку» в динамику частиц, создавая сложные корреляции, не поддающиеся классическому описанию.

Оптомеханические торсионные весы. На панели (a) показан эскиз крутильного маятника с гантелеобразным телом, подвешенным на тонкой проволоке с постоянной крученияτ. Магнитный демпфер, прикрепленный к проволоке, гасит механические моды, отличные от крутильных. На панели (b) представлена схема оптомеханической системы, состоящей из крутильного маятника и двух оптических полостей. Световой поток каждого резонатора является мерой положения соответствующего края маятника. Независимые измерения положения каждого края маятника могут быть добавлены или вычтены, чтобы различать чисто вращательное движение и маятниковые колебания.

В поисках квантовой гравитации: путь открыт

Подобные эксперименты, конечно, требуют невероятной точности и изоляции от внешних воздействий. Но они открывают принципиально новый путь в исследовании гравитации и могут приблизить нас к разгадке ее квантовой природы.

Возможно, в скором времени мы сможем заглянуть за завесу тайны и увидеть, как гравитация, эта неуловимая и всепроникающая сила, танцует свой квантовый танец, сплетая воедино ткань пространства-времени.

Почему нельзя просто измерить гравитационное поле в суперпозиции, чтобы определить его квантовый характер?

Измерить гравитационное поле, созданное объектом в суперпозиции, невероятно сложно. Для этого нужно создать суперпозицию достаточно массивного объекта, чтобы он генерировал заметное поле, и при этом сохранить когерентность, то есть квантовые свойства суперпозиции. Пока что такие эксперименты находятся за пределами наших технологических возможностей.

Если в предложенном эксперименте с осцилляторами не возникает запутанности, то как же он может свидетельствовать о квантовом характере гравитации?

Запутанность — не единственный признак квантовости. Квантовые процессы могут быть сложными и непредсказуемыми, даже если запутанность в них отсутствует. В статье предлагается анализировать динамику квантовых осцилляторов под действием гравитации и сравнивать ее с «классической» LOCC-моделью. Если гравитация имеет квантовый характер, то ее влияние на систему будет невозможно точно воспроизвести с помощью LOCC-операций.

Как можно использовать квантовую механику, чтобы избежать «супердетерминистического» объяснения, при котором гравитация «знает» начальное состояние системы и подстраивается под него?

Для этого можно воспользоваться квантовой запутанностью, чтобы генерировать случайные начальные условия для осцилляторов. Например, можно запутать каждый осциллятор с дополнительной частицей, расположенной вдали от эксперимента. Измерение состояния этой дополнительной частицы «мгновенно» определит начальное состояние осциллятора, но информация об этом измерении достигнет экспериментальной установки только после того, как гравитация уже повлияла на систему.

Какие основные препятствия стоят на пути реализации предложенного эксперимента?

Основные трудности связаны с необходимостью обеспечить длительное время когерентности для квантовых осцилляторов, создать условия с очень низким давлением и температурой, а также достичь высокой точности измерений. Все это требует значительного технологического прогресса.