Квантовая теория добилась выдающихся успехов с момента своего появления 100 лет назад. Однако существует явное несоответствие между дискретной, квантовой природой материи и кажущейся непрерывной, классической природой пространства-времени, в котором материя существует и взаимодействует. Это несоответствие поднимает глубокие вопросы. Имеет ли пространство-время неделимые единицы, или кванты, даже если оно не кажется делимым, как материя [1, 2]? И если да, то имеют ли эти кванты наблюдаемые признаки и влияют ли они на другие области физики?
Джейкоб Ковей из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне и его коллеги предложили способ ответить на эти вопросы [3]. Их стратегия предполагает использование широко распространённого квантового состояния для исследования основных особенностей квантовой теории в искривлённом пространстве-времени гравитационного поля Земли.
Проблема квантовой гравитации
Предложение команды имеет отношение к проблеме квантовой гравитации — то есть, как последовательно и логически объединить квантовую теорию и общую теорию относительности [4]. Многие исследователи считают эту проблему одной из величайших нерешённых загадок в физике (хотя некоторые всё ещё думают, что гравитацию не следует квантовать и что вся концепция квантовой гравитации может быть принципиально ошибочной [5]).
В 1950-х годах физики начали предлагать экспериментальные исследования квантовой гравитации, которые в то время были в значительной степени непрактичны. За последние несколько лет исследователи начали более серьёзно относиться к таким идеям, обратившись к различным мощным современным методам в квантовой оптике, гравитационной интерферометрии и многопосылочной астрономии.
Физики рассмотрели множество возможных признаков квантовой гравитации, таких как гравитационно-индуцированное квантовое запутывание масс [6, 7], флуктуирующее квантовое пространство-время в гравитационной интерферометрии [8] и внутренние квантовые интерференционные эффекты третьего порядка или выше в гравитационных полях [9].
Квантовая теория в искривлённом пространстве-времени
Квантовую теорию в искривлённом пространстве-времени можно теоретически понять за пределами предела, при котором ньютоновская физика больше не обеспечивает точных описаний. Ковей и его коллеги стремились разработать эксперимент, который мог бы впервые предложить эмпирические доказательства того, что квантовая теория действует в этом экстремальном режиме, и исследовать фундаментальные свойства квантовой теории в таком постньютоновском искривлённом пространстве-времени.
Ковей и его коллеги предлагают создать широко распространённое квантовое состояние, чувствительное к постньютоновскому искривлённому пространству-времени гравитационного поля Земли. Они рассматривают делокализацию одиночных оптических атомных часов между тремя атомными системами, расположенными на разных высотах, разделённых расстояниями в километры.
Это делокализация достигается путём кодирования присутствия или отсутствия часов в состоянии каждой системы, что приводит к совместному использованию системами коллективного запутанного состояния. Исследователи показывают, что свойства этого коллективного состояния зависят от различий в так называемом собственном времени и, в свою очередь, от кривизны пространства-времени между местоположениями трёх атомных систем.
Ковей и его коллеги обсуждают, как их предложенный эксперимент может исследовать фундаментальные аспекты квантовой теории в искривлённом пространстве-времени. Эти аспекты включают линейность теории, унитарность и вероятностный характер (кодируемый правилом Борна). Такие аспекты являются центральными для структуры, эволюции и измерения квантовых состояний.
Что дальше?
Реализация схемы, предложенной Ковеем и его коллегами, в настоящее время находится на пределе экспериментально возможного [3]. Основная трудность заключается в неизбежной хрупкости требуемого коллективного запутанного состояния. Подобные проблемы стоят перед другими экспериментальными исследованиями квантовой гравитации [6–9].
Слабейший текущий тест основополагающих принципов квантовой теории — вероятно, тест правила Борна, который был плохо проверен в негавитационных ситуациях и вовсе не проверялся в присутствии гравитации [3, 9]. Именно в этой области мы можем ожидать наибольших сюрпризов для квантовой гравитации [10]. Каковы бы ни были результаты таких исследований, они, несомненно, углубят наше понимание квантовой теории и помогут развитию квантовых технологий.