Уже на стадии препринта статья, написанная Райаном Дж. Маршман, Питер Ф. Баркер и Сугато Бозе (Университетский колледж Лондона, Великобритания), Гэвин В. Морли (Университет Уорика, Великобритания), Анупам Мазумдар и Стивен Хекстра (Университет Гронингена, Нидерланды) были провозглашены новым методом измерения гравитационных волн. 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, чем текущие детекторы, и было бы легко направить их на определенные части неба – напротив, текущие детекторы видят только фиксированную часть.
Алмазный
Ключевой частью устройства является крохотный алмаз размером всего несколько нанометров. «В этом алмазе один из атомов углерода заменен атомом азота», – объясняет доцент Анупам Мазумдар. Этот атом вводит свободное пространство в валентной зоне, которое может быть заполнено лишним электроном. Квантовая теория гласит, 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 как вверх, так и вниз.
Подобно коту Шредингера, который одновременно мертв и жив, этот спин электрона поглощает и не поглощает энергию фотона, так что его спин может быть как вверх, так и вниз.Это явление называется квантовой суперпозицией. Поскольку электрон является частью алмаза, весь объект массой около 10-17 килограммов, что огромно для квантовых явлений, находится в квантовой суперпозиции.
«У нас есть алмаз, у которого одновременно есть вращение вверх и вниз», – объясняет Мазумдар. Применяя магнитное поле, можно разделить два квантовых состояния. Когда эти квантовые состояния снова объединяются путем выключения магнитного поля, они создадут интерференционную картину. ‘Природа этой интерференции зависит от расстояния, пройденного двумя отдельными квантовыми состояниями. И это можно использовать для измерения гравитационных волн.Эти волны представляют собой сжатие пространства, поэтому их прохождение влияет на расстояние между двумя разделенными состояниями и, следовательно, на картину интерференции.
Пропущенная ссылка
В документе показано, что эта установка действительно могла обнаруживать гравитационные волны. Но на самом деле Мазумдар и его коллеги заинтересованы не в этом. «Система, в которой мы можем получить квантовую суперпозицию мезоскопического объекта, такого как алмаз, и в течение разумного промежутка времени, была бы настоящим прорывом», – говорит Мазумдар. Это позволило бы проводить всевозможные измерения, 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.
В статье, опубликованной в 2017 году (1), Мазумдар и его давний соавтор Сугато Бозе вместе с несколькими коллегами 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 – это квантовое явление.
Технология
‘В нашей последней статье мы описываем, как создать мезоскопическую квантовую суперпозицию. С двумя из этих систем мы смогли показать запутанность.Однако, как они заметили во время своей работы, отдельная система будет чувствительна к гравитационным волнам, и это стало основной темой статьи в New Journal of Physics.
«На разработку технологии создания этих систем может потребоваться несколько десятилетий», – признает Мазумдар. Требуется вакуум 10-15 Па, при этом рабочая температура должна быть как можно ниже, близкой к абсолютному нулю (-273 ° C). «Доступна технология для достижения высокого вакуума или низкой температуры, но нам нужна технология для достижения и того, и другого одновременно.’Кроме того, магнитное поле должно быть постоянным. ‘Любая флуктуация разрушит квантовую суперпозицию.’
Свободное падение
Награда за создание такой системы была бы огромной. «Его можно использовать для всех видов измерений в таких областях, как физика сверхнизких энергий или квантовые вычисления, например.’И его, конечно же, можно использовать, чтобы определить, является ли гравитация квантовым явлением. Мазумдар, Бозе и его коллеги только что загрузили еще один препринт (2), в котором они описывают, как этот эксперимент может быть проведен. «Чтобы гарантировать, что единственное взаимодействие между двумя запутанными объектами – это сила тяжести между ними, эксперимент следует проводить в условиях свободного падения», – поясняет Мазумдар.
С видимым энтузиазмом он описывает спускную шахту длиной один километр в глубокой шахте, чтобы уменьшить помехи. Две запутанные мезоскопические квантовые системы следует отбрасывать неоднократно, чтобы получить надежные измерения. ‘Я думаю, что это можно сделать при моей жизни. И результат, наконец, разрешит один из самых больших вопросов в физике.’
Примечания:
(1) Spin Sougato Bose et al: Свидетель запутанности квантовой гравитации. Письма о версии Phys Rev. 2017, DOI 10.1103 / PhysRevLett.119.240401
(2) M. Тороš, Т. W. ван де Камп, Р. J. Маршман, М. S. Ким, А. Мазумдар, С. Bose: Снижение шума относительного ускорения для запутанных масс с помощью квантовой гравитации. arXiv 29 июля 2020. https: // arxiv.org / abs / 2007.15029