Является ли гравитация квантовым явлением?

Группа физиков-теоретиков предложила «настольное» устройство, которое могло бы измерять гравитационные волны. Однако их настоящая цель — ответить на один из самых больших вопросов физики: является ли гравитация квантовым явлением? Ключевым элементом устройства является квантовая суперпозиция больших объектов. Статья была опубликован в New Journal of Physics.

Вместо нынешних километровых детекторов LIGO и VIRGO физики, работающие в Великобритании и Нидерландах, предложили настольный детектор. Это устройство было бы чувствительно к более низким частотам и было бы легко направить их на определенные части неба — напротив, современные детекторы видят только фиксированную часть.

Ключевой частью устройства является крохотный алмаз размером всего несколько нанометров. В этом алмазе один из атомов углерода заменен атомом азота. Этот атом вводит свободное пространство в валентной зоне, которое может быть заполнено лишним электроном.

Квантовая теория утверждает, что когда электрон облучается лазерным светом, он может либо поглощать, либо не поглощать энергию фотона. Поглощение энергии изменит спин электрона, магнитный момент, который может быть направлен как вверх, так и вниз.

«Так же, как кот Шредингера, который одновременно мертв и жив, этот спин электрона поглощает и не поглощает энергию фотона, так что его вращение одновременно вверх и вниз» — говорят ученые. Это явление называется квантовой суперпозицией. Поскольку электрон является частью алмаза, весь объект массой около 10^-17 килограмм, что огромно для квантовых явлений, находится в квантовой суперпозиции.

Применяя магнитное поле, можно разделить два квантовых состояния. Когда эти квантовые состояния снова объединяются путем выключения магнитного поля, они создают интерференционную картину.

Природа этой интерференции зависит от расстояния, пройденного двумя отдельными квантовыми состояниями. И это можно использовать для измерения гравитационных волн. Такие волны представляют собой сжатие пространства, поэтому их прохождение влияет на расстояние между двумя разделенными состояниями и, следовательно, на картину интерференции.

В документе показано, что установка действительно могла бы обнаруживать гравитационные волны. Но на самом деле ученые заинтересованы не в этом.

«Система, в которой мы можем получить квантовую суперпозицию мезоскопического объекта, такого как алмаз, и в течение разумного периода времени, была бы настоящим прорывом», — говорят ученые.

«Это позволило бы проводить все виды измерений, и одно из них можно было бы использовать, чтобы определить, является ли сама гравитация квантовым явлением». Квантовая гравитация была «недостающим звеном» в физике почти столетие.

Ранее, в статье, опубликованной в 2017 году, ученые предположили, что сцепление между двумя мезоскопическими объектами можно использовать, чтобы выяснить, является ли гравитация квантовым явлением. Проще говоря: запутанность — это квантовое явление, поэтому, когда два объекта, которые взаимодействуют только посредством гравитации, проявляют запутанность, это доказывает, что гравитация является квантовым явлением.

«На разработку технологии создания таких систем может потребоваться несколько десятилетий», — признают исследователи. Требуется вакуум 10^-15 Паскалей, при этом рабочая температура должна быть как можно ниже, близкой к абсолютному нулю (-273 C).

«Сейчас доступна технология для достижения высокого вакуума или низкой температуры, но нам нужна технология, позволяющая достичь того и другого одновременно». Кроме того, магнитное поле должно быть постоянным. «Любая флуктуация разрушила бы квантовую суперпозицию».

Награда за создание такой системы будет огромной. «Ее можно использовать для всех видов измерений в таких областях, как, например, физика сверхнизких энергий или квантовые вычисления».

И, конечно же, систему можно использовать для определения того, является ли гравитация квантовым явлением.

Ryan J Marshman et al, Mesoscopic interference for metric and curvature & gravitational wave detection, New Journal of Physics (2020). DOI: 10.1088/1367-2630/ab9f6c