Jedním z nejhlubších hádanek v moderní vědě je to, jak kvantová mechanika a obecná relativita – dva velké sloupy fyziky 20. století – – zapadnout dohromady. Kvantová mechanika řídí mikroskopický svět atomů a subatomických částic. Obecná relativita popisuje gravitaci a strukturu prostoru. Obě teorie jsou ohromně úspěšné ve svých doménách, ale dosud se nekombinují do jediného sjednoceného rámce. Ústřední obtížnost spočívá v testování, kde by se obě teorie mohly setkat. Zatímco kvantové experimenty se často odehrávají v kontrolovaných laboratořích, účinky zakřivení časoprostoru jsou obvykle slabé a detekovatelné pouze na astronomických měřítcích.
Nová studie Jacoba Coveye, Igora Pikovskiho a Johannes Borregaard, všechny z univerzit v USA, navrhla nový způsob, jak tuto křižovatku prozkoumat. Použitím distribuované sítě atomových hodin nastíní experiment, který by mohl přímo odhalit, jak se kvantové systémy chovají v zakřiveném časoprostoru. Jejich přístup využívá pokroky v atomové fyzice, kvantové síti a přesné časové míře, aby se stal jednou outlandickou myšlenkou skutečnou experimentální možností.
„Souhra mezi kvantovou teorií a gravitací je jedním z nejnáročnějších problémů ve fyzice dnes, ale také fascinující,“ uvedl Igor Pikovski, jeden ze spoluautorů a docent ve škole inženýrství a vědy na Stevens Institute of Technology v USA.
Studie byla zveřejněna v PRX Quantum v červenci. Objevila se doplňková teoretická práce spoluautorka Borregaard a Pikovski Fyzický revizní výzkum v květnu.
Snímání křivky
Po více než století fyzici snili o překlenutí kvantové mechaniky a gravitace. Úsilí obecně spadá do dvou kategorií. Jedním z nich je hledání úplné teorie kvantové gravitace, kde je samotná gravitace kvantizována jako ostatní přírodní síly. Například elektromagnetická síla je kvantizována jako fotony, částice světla. Cílem v této kategorii je vyvinout teorii, která může vysvětlit gravitační rysy vesmíru pomocí hypotetických částic zvaných gravitony.
Druhá kategorie má skromnější cíl: zkoumání toho, jak se běžné kvantové systémy chovají v časoprostoru již zakřiveném gravitací. Tento přístup nevyžaduje spekulativní nové teorie, ale stále klade základní otázky. Například se stále drží základní kvantové principy, jako je Unitarita, Linearity a Born Rule?
Doposud většina laboratorních experimentů testovala pouze kvantovou mechaniku s předpokladem, že gravitace je jednoduchá síla, která přitahuje objekty k těžší hmotě. Například experimenty s poskakováním neutronů a interferometry atomů ukázaly fázové posuny vyvolané gravitačním potenciálem Země, ale kvůli relativitě nezjistily hlubší účinky.
Jedním takovým účinkem je zakřivení časoprostoru. To znamená, že podle obecné teorie relativity bude masivní objekt zakřivit časoprostor kolem sebe. Když lehčí tělo prochází touto oblastí časoprostoru, bude přirozeně odkloněno podél zakřivené cesty. Zjevná síla zodpovědná za vychýlení se říká, že je gravitace. To je důvod, proč se například údajně Měsíc je na oběžné dráze kolem Země: jednoduše se pohybuje podél prostoru zakřiveného zemskou hmotou.
V této vizuální metafoře je polštář jako časoprostor a těžká koule může být Země nebo Slunce. Hmota ohýbá SPACETIME kolem sebe. Když další tělo prochází touto oblastí, sleduje zakřivenou cestu. | Fotografický kredit: Obrázek vytvořený pomocí chatgpt 5
Významný rys zakřivení je, že čas netéká jen odlišně ve dvou bodech: mění se nelineárně napříč vesmírem. Například rozdíl mezi časem měřeným dvěma hodinami 1 km a 2 km od zemského povrchu není úplně stejný jako rozdíl mezi časem měřeným dvěma hodinami 3 km a 4 km daleko. Tato disparita je přímým znamením, že je zakřivený časoprostor, který obývají hodiny.
Měření tohoto experimentu bude vyžadovat, aby nastavení porovnalo data z nejméně tří míst současně.
Hlavním cílem je (i) nastavit čistě kvantový systém, a poté (ii) hledat účinky zakřiveného prostoru ve vlastnostech systému. Pokud vědci spatří nějaké účinky, prokáže průsečík (post-Newtonovské) gravitace a kvantové fyziky.
V nové studii autoři navrhli vytvoření sítě tří zapletených atomových hodin, oddělených rozdíly v kilometru, které působí společně jako jeden „distribuované hodiny“. Tímto způsobem říkají, že mohou přímo otestovat, jak zakřivený časoprostor ovlivňuje kvantové interferenční vzorce v hodinách.
Pokud je toto experimentální nastavení úspěšné, mohla by to být první laboratorní sonda zakřivení časoprostoru pomocí kvantových systémů – hlavní skok vpřed.
Vědci navrhli protokol založený na špičkové kvantové síťové a atomové hodinové technologie. Ve svém srdci je stav zapletení zvaný stav W.
Odolné přátelství
V kvantové fyzice mohou být částice jako elektrony nebo fotony spojeny takovým způsobem, že to, co se stane s druhou, okamžitě ovlivňuje ostatní. Toto podivné spojení se nazývá zapletení. Je to jeden z nejdůležitějších zdrojů pro kvantové technologie, jako jsou kvantové počítače a kvantová komunikace.
Stav W je zvláštním příkladem zapletení zahrnující tři nebo více částic. Představte si, že máte tři kvantové bity (qubits). Stav W vypadá něco jako následující: jeden qubit je ve stavu 1 (vzrušený) a ostatní jsou v 0 (nejsou nadšeni). Ale nevíte, který z nich je 1. místo toho, všechny tři možnosti – první je 1 nebo druhý je 1 nebo Třetí je 1 – jsou kombinovány dohromady ve vyvážené kvantové superpozici. Jinými slovy, přesně jedna ze tří qubitů je 1, ale dokonale sdíleným způsobem napříč všemi třemi.
Stav W má velmi robustní druh zapletení. I když ztratíte jednu z částic, ostatní jsou stále zapleteni. To se liší od jiného slavného zapleteného stavu, státu GHz, který zcela ztratí své zapletení, pokud odstraníte částici.
Pomyslete na tři přátele, kteří sdílejí tajemství. Ve stavu GHz, pokud odejde jeden přítel, je tajemství ztraceno. Ve stavu W, i když jeden přítel odejde, dva zbývající přátelé stále sdílejí část tajemství. Proto fyziky mají rádi stav W: je to odolnější.
Kvantová symfonie
Nový protokol navrhuje použít atomy ytterbium jako qubits. Některá vlastnost atomů se mění periodicky tam a zpět, jako je tikání hodin. Každý atom zažije čas odlišně kvůli své poloze v gravitaci Země. Po určitou dobu jsou tyto tři stavy rekombinovány a měřeny. Pokud byl stav atomů W ovlivněn zakřiveným časoprostorem, měli by vědci očekávat, že měří „posuny“ v hodnotě vlastnosti odpovídající časovému rozkladu mezi třemi páry atomů. To znamená, že tyto směny nesou otisk samotného zakřivení.
Podle analýzy vědců by toto navrhované nastavení mohlo v zásadě vyřešit malé posuny ve frekvenci atomů. Například, když jsou atomy odděleny 1 km prostřednictvím Gravitační pole Země a jednotlivé atomy Ytterbia jsou schopny držet svůj kvantový stav asi 50 sekund (nazývané doby koherence), mohou být frekvenční posuny řádově 0,02 Hz. Tento posun by byl snadno změřil. A zatímco doba soudržnosti je velmi vysoká, je na dosah moderních technologií – i když jen.
„Implementace systému navrženého Coveyem a jeho kolegy je v současné době na základě toho, co je experimentálně možné,“ napsal Djordje Minic, profesor fyziky ve Virginii Tech a který nebyl spojen s studií, napsal v komentáři v APS fyzika. „Hlavním problémem je nevyhnutelná křehkost požadovaného kolektivního, zapleteného stavu.“
To znamená, že důsledky takového experimentu jsou dalekosáhlé. Nejprve by to znamenalo hlavní krok v experimentálně sondování rozhraní mezi kvantovou teorií a obecnou relativitou, hranicí, která byla dosud do značné míry teoretická. Přímý důkaz, že kvantová koherence a interference přetrvávají v zakřiveném časoprostoru, by posílily důvěru v univerzálnost kvantové mechaniky.
Za druhé, experiment může být upraven tak, aby testoval jednotku, linearitu a narození vlády pod vlivem zakřiveného prostoru, který by se zabýval některými z nejzákladnějších otevřených otázek ve fyzice. Pokud byla kvantová mechanika symfonií, linearita znamená, že všechny možné poznámky lze hrát najednou, Unitrarita zajišťuje, že hudba nikdy neztrácí svůj rytmus nebo energii a narození pravidlo znamená, že když konečně posloucháte, uslyšíte spíše jednu jasnou melodii než kakofonii.
Pokud vědci pozorují jakékoli odchylky, mohlo by to být známkou nové fyziky mimo standardní kvantovou teorii. Dokonce i nulový výsledek – že vše se chová podle očekávání – by poskytlo cenné potvrzení, že v tomto měřítku nedochází k žádným skrytým poruchám.
Tyto tři aspekty „jsou ústřední pro strukturu, evoluci a měření kvantových států,“ napsal Minic. „Hlavní novinkou přístupu týmu spočívá v tom, že kombinuje několik pokroků dosažených v posledním desetiletí o neutrálních atomech a zachycených ionech, aby se dosáhlo nové, jedinečné kvantové sondy zakřiveného časoprostoru.“
Místnost být chytrý
„Předpokládáme, že kvantová teorie drží všude – ale opravdu nevíme, jestli je to pravda,“ řekl Pikovski. „Je možné, že gravitace mění, jak funguje kvantová mechanika. Ve skutečnosti některé teorie naznačují, že takové úpravy a kvantová technologie to budou schopny testovat.“
Zatřetí, metodika otevírá dveře pro další průzkum. Rafinací zapletených atomových sítí by vědci mohli zkoumat extrémnější gravitační prostředí, možná dokonce i na palubní satelity, kde jsou možné větší separace a téměř nulové prostředí. Takové systémy by jednoho dne mohly sloužit jako citlivé detektory pro exotické entity, jako jsou temná hmota a gravitační vlny.
Pro studenty a mladé výzkumné pracovníky také nová studie ilustruje, že některé z nejzákladnějších otázek o vesmíru nelze řešit ne budováním stále větších strojů, ale také chytře kombinováním přesných nástrojů, které vědci již mají. Sen o sjednocení kvantové mechaniky a relativity může být stále vzdálený, ale takové experimenty by ho mohly přiblížit.
