Ралф Шутхольд из Центра имени Гельмгольца в Дрездене-Россендорфе в Германии утверждает, что человечество может достичь аналогичного поворотного момента в понимании гравитации [1]. Его подход к управлению гравитацией основан на экспериментах, которые могут контролировать излучение или поглощение гравитонов — гипотетических элементарных частиц, опосредующих гравитационное взаимодействие в квантовой теории гравитации.
Для этого Шутхольд предложил эксперимент, в котором гравитационная волна, ударяющая по оптическому интерферометру, вызывает измеримый фазовый сдвиг в световом импульсе, проходящем через интерферометр. Такой сдвиг может показать, поглощаются ли гравитоны или излучаются в процессе. Реализация этого предложения открыла бы заманчивые перспективы для управления гравитацией и проверки её квантовой природы.
Современное понимание гравитации
Наше текущее понимание гравитации основано на общей теории относительности Эйнштейна. Там гравитация описывается не как сила, а как следствие искривления пространства-времени, вызванного материей. В рамках этой парадигмы можно описать широкий спектр гравитационных явлений — от движения планет и звёзд до эволюции Вселенной. Более того, теория привела к открытию ранее неизвестных аспектов космоса, таких как существование чёрных дыр и гравитационных волн.
Гравитационные волны
Гравитационные волны — это рябь в пространстве-времени, распространяющаяся со скоростью света. Хотя они были предсказаны более века назад [2, 3], потребовалось около 50 лет, чтобы найти косвенные доказательства их существования [4, 5], и ещё 40 лет, пока эксперимент LIGO впервые зарегистрировал их напрямую [6].
Сотни других событий, связанных с гравитационными волнами, были зарегистрированы с тех пор, открыв новое окно во Вселенную. Однако гравитационные волны, наблюдаемые до сих пор, возникали в результате экстремальных астрофизических событий, таких как слияние двух чёрных дыр. При более низких энергиях (ниже планковской энергии около 10¹⁹ ГэВ) гравитация может вести себя подобно электромагнетизму, с его энергией, квантованной в гравитонах (единицах ℏω, где ω — частота гравитационной волны).
Возможность обнаружения гравитонов
К сожалению, из-за слабости гравитационного взаимодействия ответ на вопрос о возможности обнаружения гравитонов с помощью доступных технологий — отрицательный, по крайней мере, если использовать движущиеся объекты для генерации гравитационного поля.
Шутольд предложил альтернативный подход. Вместо использования динамических масс его схема предполагает обнаружение гравитонов путём измерения энергии, передаваемой между лазерным лучом и проходящей гравитационной волной. Если такая энергия превысит энергию одиночного гравитона, это можно интерпретировать как «отпечаток пальца» (стимулированного) излучения или поглощения гравитонов.
Конфигурации взаимно отталкивающихся частиц
Взаимоотталкивающие частицы в бесконечном двумерном лотке минимизируют свою энергию, образуя треугольную решётку. Но если частицы малы по количеству и сжаты вместе, они примут конфигурацию, которая зависит от диапазона и силы взаимодействия, формы контейнера и тесноты ограничения.
Пауло Дуглас Лима из Федерального университета Риу-Гранди-ду-Норти в Бразилии и его коллеги показали, что можно создать один и тот же набор конфигураций для широкого спектра типов частиц [1]. Это возможно благодаря модели, которая позволяет исследователям настраивать всего два параметра.
В модели потенциал взаимодействия между частицами имеет зависимость от расстояния между частицами, которая идёт как обратная степенная зависимость с настраиваемым индексом α. Контейнер представляет собой эллипс с регулируемым размером и эксцентриситетом.
Ускоренное достижение квантового состояния
Если вы хотите добраться до друга на оживлённой коктейльной вечеринке, вы можете медленно прокладывать себе путь через гостей, не сталкиваясь с ними. Если вы спешите, вы всё равно можете добраться до него, если будете предвидеть, как будет двигаться каждое из промежуточных тел.
Аналогично можно перевести квантовую систему из одного из её основных состояний в другое, более интересное, путём медленного воздействия на систему. Но если вы спешите — например, выстраивая последовательность манипуляций с кубитами — вам нужно предвидеть и смягчать способы, которыми такое быстрое воздействие может возбудить систему до нежелательного более высокого состояния.
Две группы — Стюарт Моравец и Анатолий Полковников из Бостонского университета и Ерней Финжгар из Технического университета Мюнхена и его коллеги — независимо разработали рецепт для контрдиабатического управления общей квантовой системой, требуя при этом меньше знаний о её микроскопических деталях [1, 2].
Возбуждения, которые необходимо смягчить, описываются так называемым адиабатическим калибровочным потенциалом (АГП). Точное знание АГП часто недостижимо, но его можно аппроксимировать. Новый рецепт начинается с предположения об АГП. Это предположение можно выразить в виде ряда операторов, которые живут в математическом объекте, известном как подпространство Крылова. В принципе, эти операторы можно реализовать в лаборатории.
Для получения аппроксимации АГП нужны только первые несколько членов ряда. Исследователи показали, что удивительно, но получение соответствия связано с тем, насколько хорошо система поглощает энергию при воздействии: чем менее поглощающей является система, тем легче ею управлять с помощью нового рецепта.