Квантовая теория, начиная с её создания 100 лет назад, добилась значительных успехов. 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? 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. Их стратегия включает использование широко распространённого квантового состояния для исследования основных особенностей квантовой теории в искривлённом пространстве-времени земного гравитационного поля.
Проблема квантовой гравитации
Предложение команды имеет отношение к проблеме квантовой гравитации — то есть, как последовательно и логично объединить квантовую теорию и общую теорию относительности. 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).
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, обращаясь к различным мощным современным методам в квантовой оптике, гравитационной интерферометрии и мультимессенджерной астрономии.
Физики рассмотрели множество возможных признаков квантовой гравитации, таких как гравитационно-индуцированная квантовая запутанность масс, флуктуирующее квантовое пространство-время в гравитационной интерферометрии и внутренние квантовые интерференционные эффекты третьего порядка или выше в гравитационных полях.
Эксперимент Ковея
Квантовая теория в искривлённом пространстве-времени может быть теоретически понята 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.
Для преодоления этой проблемы Ковей и его коллеги предлагают создать широко распространённое квантовое состояние, чувствительное к постньютоновскому искривлённому пространству-времени земного гравитационного поля. 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 тому, что системы разделяют коллективное запутанное состояние. Исследователи показывают, что свойства этого коллективного состояния зависят от различий в так называемом собственном времени и, в свою очередь, в искривлённости 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. Основная трудность — неизбежная хрупкость требуемого коллективного запутанного состояния. Подобные проблемы стоят перед другими экспериментальными исследованиями квантовой гравитации. Слабейший текущий тест основных принципов квантовой теории — вероятно, тест правила Борна, который был плохо протестирован в негаравитационных ситуациях и не тестировался вообще в присутствии гравитации. Именно в этой области мы можем ожидать наибольших сюрпризов для квантовой гравитации.
Какими бы ни были результаты таких исследований, они, несомненно, углубят наше понимание квантовой теории и помогут развитию квантовых технологий.