[爆卦] 科學家提出測試重力量子性的可行方法

https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.14.021022

重力是宇宙基本力中最微弱的，這特點妨礙科學家探索重力的內在特性，特別是確定引力本質上是經典力還是量子力-這個問題對於統一相對論和量子力學的萬有理論至關重要。

過往測試重力「量子性」的實驗法主要集中在量子糾纏上。這些實驗中兩個相距較遠的重物被置於高度離域的量子態，這意味著其波函數分佈在很大的空間上。理論預測:如果重力本質上是量子的，那麼兩個物體間的引力會導致它們糾纏在一起。然而實驗所需的重物高度離域態很難創建。此外此種糾纏也弱到儀器無法探測。

阿姆斯特丹大學的 Ludovico Lami團隊提出新方法避免了這些問題，它不需要產生高度離域的量子態或檢測量子糾纏。這對於現有或近期的技術來說是可行的。

實驗方案如下:

https://tinyurl.com/5n9yhbr6
透過仔細檢查兩個振盪擺（綠色）的量子系統的引力引起的動力學來測試引力的「量子性」。擺錘由電磁屏蔽和光學屏蔽（紫色）隔開。它們的振盪由雷射（藍色）發出的光（紅色）照射到由擺錘末端和固定鏡子（橘色）形成的光學腔中，然後照射到偵測器（灰色）中來監測。

鋼絲懸掛的剛體隨著鋼絲的扭曲而來回旋轉。這些物體的形狀像啞鈴，兩端的重量不到1g，構成了光學腔的一半，另一半是固定的鏡子。當鐘擺擺動時，它們會改變每個腔的尺寸，從而改變諧振波長。這種變化可以通過將雷射照射到腔體中，然後測量產生的干涉圖案強度來檢測。

兩個鐘擺通過它們的相互引力耦合，將它們彼此靠近，平衡方向平行。為了確保重力是鐘擺之間的主導力，在中間放置了一個遮罩層以抑制任何潛在的電磁和光學相互作用。此外鐘擺的距離經過精心選擇因此它們的引力總是比它們與盾牌之間的卡西米爾力強得多。

利用它們與光學腔的耦合，鐘擺首先被驅動到它們的基態，在基態中它們處於靜止狀態，然後置於隨機選擇的相干狀態，在這種狀態下，它們以明確定義的振幅振蕩。接下來，它們被留在重力下反應一段時間。假設引力相互作用本質上是量子的，則計算了該時間結束時鐘擺的預期狀態。然後對鐘擺進行微小的推動，將這些計算出的狀態放回基態。最後，在施加該推力後，檢查鐘擺以查看它們是否確實處於基態。重複多次該過程並確定按照這些步驟找到處於基態的鐘擺的概率。如果此概率超過計算的經典引力上限，則表明引力不是經典引力。

為了計算這個上限，該團隊引入並磨練了量子資訊理論中的數學機制，特別是使用了糾纏操縱理論中的工具。這個計算背後的關鍵假設（也支撐了先前基於糾纏的協議）是:對於經典引力，量子物體之間的引力相互作用可以透過經典通訊輔助的一系列局部量子操作來描述。然而這假設是有爭議的議題。新提案的另一個潛在問題是，該實驗需要較長相干時間、振盪時損失很少能量的扭擺以及超冷環境。

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