Новая стратегия в поисках квантовой гравитации

Предсказания теорий, объединяющих квантовую механику и гравитацию, можно будет наблюдать с помощью высокочувствительного обнаружения фотонов в настольном эксперименте.

Теории квантовой гравитации пытаются объединить гравитацию и квантовую механику. Предлагаемый эксперимент под названием «Гравитация из квантовой запутанности пространства-времени» (GQuEST) будет искать предсказанный эффект таких теорий с использованием нового типа интерферометра — того, который считает фотоны, а не измеряет интерференционные картины. Команда GQuEST теперь рассчитала чувствительность своей конструкции и показала, что она может восстановить предсказанный сигнал в 100 раз быстрее, чем традиционные установки интерферометра [1].

Квантование гравитации подразумевает, что пространство-время не является непрерывным — оно становится «пикселизированным», когда вы смотрите на масштабы размером до 10 ^{− 35} м, слишком малые, чтобы их можно было исследовать в любом эксперименте.

Однако некоторые модели квантовой гравитации предсказывают, что пространство-время может флуктуировать — это своего рода спонтанное растяжение и сжатие в ткани пространства-времени, которое может производить наблюдаемые эффекты [2].

«Вы не могли бы обнаружить отдельный пиксель, но вы могли бы обнаружить когерентные флуктуации многих пикселей», — говорит теоретик Калтеха Кэтрин Зурек. Она сформулировала модель «пикселлона», которая предсказывает, что коллективные флуктуации внутри интерферометра могут вызывать обнаруживаемое изменение частоты или модуляцию в выходном свете интерферометра [3].

Это предсказание ученые планируют проверить с помощью GQuEST, предварительная версия которого в настоящее время создается в Калтехе. Основная схема эксперимента представляет собой классический интерферометр Майкельсона, в котором свет разделяется на два пути, а затем рекомбинируется для создания интерференционной картины.

Такие эксперименты, как LIGO, отслеживают такие картины, выискивая изменения, вызванные гравитационными волнами. Однако эта стратегия измерения непрактична для обнаружения модуляций, вызванных пиксельонами, говорит Ли Маккаллер из Калтеха, руководитель группы GQuEST. «В LIGO мощность постоянно колеблется вверх и вниз из-за шума, поэтому очень сложно разрешить немного дополнительных флуктуаций, как и ожидалось от модели пиксельона», — говорит он.

Для поиска квантово-гравитационного сигнала Ли Маккаллер и его коллеги разрабатывают интерферометр для подсчета фотонов. Идея состоит в том, чтобы измерять выходной сигнал интерферометра на «боковой» частоте — смещенной на 17 МГц от частоты лазера 200 ТГц. Частоты боковой полосы знакомы по радиосигналам AM, поскольку они соответствуют модуляциям амплитуды несущей волны. Интерферометры реагируют аналогичным образом на шум и другие эффекты окружающей среды, но количество генерируемого света боковой полосы обычно пренебрежимо мало при смещении до 17 МГц. Однако частота лазерного фотона может значительно измениться из-за взаимодействия с флуктуацией пиксельона. «Вместо того, чтобы получить нулевой свет, вы получаете немного света», — говорит Маккаллер.

Команда физиков выбрала эту конкретную боковую полосу частот, чтобы выровнять ее с ожидаемым пиком флуктуаций пиксельона, объясняет Сандер Вермюлен из Калтеха. Чтобы быть уверенными, что любой обнаруженный свет является результатом эффектов пиксельона, исследователи будут использовать оптические полости для фильтрации всех близлежащих частот.

В случае успеха количество утечки света должно быть чрезвычайно малым — команда оценивает примерно один модулированный фотон каждые 12 минут, или скорость 10 ^{− 3} Гц. Чтобы обнаружить такой слабый сигнал, исследователи установят датчик из сверхпроводящей нанопроволоки, который может обнаруживать отдельные фотоны с очень малым количеством темных фотонов (ложных сигналов).

Существуют и другие эффекты, которые могут привести к утечке фотонов из системы, например, тепловой шум в зеркалах. Исследователи вычислили ожидаемый уровень шума для своего экспериментального проекта. Они обнаружили, что их конструкция интерферометра с подсчетом фотонов может определять наличие сигнала в 100 раз быстрее, чем традиционная установка интерферометра, которая обнаруживает сдвиги в сигнале интерференции.

В настоящее время исследователи строят демонстрационный эксперимент масштабом 1 метр. Если все пройдет хорошо, они планируют построить полномасштабный эксперимент, сторона которого будет 7 метров. Они также планируют построить два интерферометра рядом друг с другом, что могло бы обеспечить дополнительную проверку на наличие фонового шума.

«Переход от интерферометрического считывания к однофотонному детектору — действительно гениальная идея», — говорит Стефан Балмер, специалист по гравитационным волнам из Сиракузского университета, Нью-Йорк. Он говорит, что конструкция позволяет избежать некоторых ограничений квантовой неопределенности, которые влияют на традиционные подходы к измерениям, но исследователи GQuEST столкнутся с трудностями при достаточной фильтрации своих выходных данных.

Стратегия GQuEST «приведет к значительному улучшению чувствительности к малым сигналам», — говорит эксперт по квантовой метрологии Аарон Чоу из Чикагского университета. Метод подсчета фотонов использует преимущества улучшенного счета на уровне 10^-5 Гц в лучших сверхпроводящих нанопроволочных детекторах. «Такой низкий уровень шума при измерениях позволяет экспериментаторам сосредоточиться на уменьшении других источников шума в их аппаратуре», — говорит Чоу. И он, и Стефан Балмер представляют себе, что подобная конструкция фотонных счетчиков может быть применена для поиска других сигналов, например гравитационных волн из ранней Вселенной.

Ссылки.

1. S. M. Vermeulen et al., “Photon-counting interferometry to detect geontropic space-time fluctuations with GQuEST,” Phys. Rev. X 15, 011034 (2025).
2. E. P. Verlinde and K. M. Zurek, “Observational signatures of quantum gravity in interferometers,” Phys. Lett. B 822, 136663 (2021).
3. K. M. Zurek, “On vacuum fluctuations in quantum gravity and interferometer arm fluctuations,” Phys. Lett. B 826, 136910 (2022).