Датчики квантовой запутанности могут проверить гравитацию
Спросите почти любого физика, какая проблема является самой неприятной в современной физике, и он, скорее всего, ответит, что это несоответствие между общей теорией относительности и квантовой механикой. Это несоответствие было занозой в заднице физического сообщества на протяжении десятилетий.
Несмотря на то, что был достигнут некоторый прогресс в разработке потенциальных теорий, которые могли бы исправить эти два положения, экспериментальных данных, подтверждающих эти теории, было мало. Вот тут-то и вступает в разговор Селим Шахриар из Северо-Западного университета в Эванстоне. Он планирует работать над концепцией под названием "Космическое сверхточное измерение эквивалентного принципа квантовой гравитации" (SUPREME-GQ), которая, как он надеется, поможет раз и навсегда собрать точные экспериментальные данные по этому вопросу.
Грубо говоря, эксперимент сложен. В его основе лежит космическая платформа, оснащенная квантово-запутанным датчиком и некоторыми системами точного позиционирования. Но для понимания того, почему полезно сначала протестировать квантовую гравитацию, требуется некоторое объяснение. Давайте сначала рассмотрим один из самых известных принципов Общей теории относительности — принцип эквивалентности.
Принцип эквивалентности гласит, что гравитация и ускорение - это одно и то же. Он лежит в основе Общей теории относительности, которая рассматривает гравитацию как кривую в пространстве-времени, а не как фундаментальную силу. Но множество теорий квантовой гравитации предсказывают отклонение от этой эквивалентности в мельчайших масштабах — там, где квантовая механика начинает брать верх.
Чтобы описать это отклонение, физики используют термин, известный как параметр Этвеша. Он объясняет, насколько тесно связаны гравитационная масса и инерционная масса. По крайней мере, в общей теории относительности они должны быть одинаковыми. Однако по мере приближения к области квантовой механики некоторые теории, претендующие на то, чтобы предложить теорию квантовой гравитации, начинают замечать расхождение между ними, которое выражается в ненулевом значении параметра Этвеша.
До сих пор значение этого параметра было снижено примерно до 10-15 в ходе эксперимента с MICROSCOPE, который был специально разработан для проверки этой теории. Исследователи, возглавлявшие этот проект, опубликовали отчет еще в 2022 году, и по сей день он остается нашим самым точным измерением параметра Этвеша.
Однако в MICROSCOPE использовались традиционные акселерометры, которые, хотя и давали оценку, более чем в 100 раз превышающую то, что можно было получить на Земле, были недостаточно точны для измерения вплоть до уровня 10-18, где, согласно таким теориям, как теория струн, может быть отклонение параметра.
Входит доктор Шахриар и его команда. Их цель - разработать космическую платформу, которая использует атомные интерферометры для ограничения значения параметра до 10-20, что потенциально может подтвердить или опровергнуть некоторые теории квантовой гравитации. Но чтобы добиться этого, им сначала нужно проделать большую подготовительную работу.
Одним из шагов в этом процессе является понимание того, как квантовая запутанность может быть использована в этих атомных интерферометрах (ИИ). ИИ работают, используя двойственную природу атомов (которая схожа с дуальностью волны/частицы света) и разделяя пучок атомов на отдельные траектории с помощью лазеров. В случае эксперимента доктора Шахрияра это были бы атомы рубидия. После расщепления, если за ними не наблюдать, они переходят в состояние, эквивалентное знаменитому эксперименту Шредингера с котом из квантовой механики.
Однако создание такого квантово-механического состояния никогда ранее не осуществлялось, что является следующим шагом в работе доктора Шахриара. Его команда разработала "протокол обобщенного сжатия эхо-сигналов", который теоретически позволяет поддерживать квантово-запутанное состояние в течение длительного времени. Это позволило бы точно измерить расхождения между двумя состояниями, когда они в конечном итоге будут повторно объединены, и эти расхождения могли бы привести к высокоточному измерению параметра Этвеша.
Базовая технология, которую в недавнем пресс-релизе команда назвала "атомным интерферометром кота Шредингера" (SCAI), также может быть использована для применения на Земле. Если бы это было возможно, используя их теоретическую реализацию, эти датчики были бы в тысячи раз точнее обычных акселерометров или гироскопов, которые уже используются в различных приложениях, таких как системы наведения и навигации и автомобилестроение.
Предстоит еще многое сделать, даже доказать, что теоретическая реализация этой технологии возможна в реальном мире. Как только люди начинают оперировать квантовыми неопределенностями, все становится сложнее, и не только для теоретиков. Но если доктор Шахриар и его команда действительно создадут функциональный космический SCAI, мы, наконец, станем на несколько шагов ближе к настоящему решению одной из самых больших проблем современной физики.
