一組理論物理學(xué)家，包括格羅寧根大學(xué)的兩名物理學(xué)家，提出了一種可以測量重力波的“臺式”設(shè)備。但是，他們的實(shí)際目的是回答物理學(xué)中最大的問題之一：引力是量子現(xiàn)象嗎?該設(shè)備的關(guān)鍵要素是大物體的量子疊加。他們的設(shè)計(jì)于8月6日發(fā)表在《新物理學(xué)》上。

Ryan J. Marshman，Peter F. Barker和Sougato Bose(英國倫敦大學(xué))，Gavin W. Morley(英國沃里克大學(xué))以及Anupam Mazumdar和Steven Hoekstra(荷蘭格羅寧根大學(xué)被譽(yù)為一種測量重力波的新方法。在英國和荷蘭工作的物理學(xué)家們提出了一種臺式探測器，而不是目前的千米大小的LIGO和VIRGO探測器。該設(shè)備將比電流檢測器對更低的頻率敏感，并且很容易將它們指向天空的特定部分，相比之下，電流檢測器只能看到固定的部分。

鉆石

該設(shè)備的關(guān)鍵部分是一顆只有幾納米大小的微小鉆石。助理教授阿努帕姆·馬祖姆達(dá)爾(Anupam Mazumdar)解釋說：“在這種鉆石中，碳原子之一被氮原子取代了。” 該原子在價帶中引入一個自由空間，該自由空間可以充滿一個額外的電子。量子理論說，當(dāng)電子被激光照射時，它可以吸收或不吸收光子能量。吸收能量會改變電子的自旋，這是一個可以向上或向下的磁矩。

“就像薛定ding的貓一樣，它既死又活，它的電子自旋既吸收也不吸收光子能量，因此它的自旋向上或向下。” 這種現(xiàn)象稱為量子疊加。由于電子是鉆石的一部分，因此整個物體(約10 -17千克的質(zhì)量，對于量子現(xiàn)象來說是巨大的)處于量子疊加狀態(tài)。

“我們擁有同時具有上下旋轉(zhuǎn)的鉆石，” Mazumdar解釋說。通過施加磁場，可以分離兩個量子態(tài)。當(dāng)這些量子態(tài)通過關(guān)閉磁場再次聚集在一起時，它們將產(chǎn)生干涉圖。“這種干擾的性質(zhì)取決于兩個單獨(dú)的量子態(tài)的傳播距離。這可用于測量重力波。” 這些波是空間的收縮，因此它們的通過會影響兩個分離狀態(tài)之間的距離，從而影響干涉圖樣。

缺少鏈接

論文表明，這種裝置確實(shí)可以檢測重力波。但這不是Mazumdar和他的同事真正感興趣的。“一個系統(tǒng)，可以在合理的時間內(nèi)獲得諸如金剛石之類的介觀物體的量子疊加，將是真正的突破。” 。“這將允許進(jìn)行各種測量，其中之一可用于確定引力本身是否是量子現(xiàn)象。” 近一個世紀(jì)以來，量子引力一直是物理學(xué)中的“缺失環(huán)節(jié)”。

在2017年發(fā)表的一篇論文中，Mazumdar和他的長期合作者Sougato Bose以及其他幾位同事建議，可以使用兩個介觀物體之間的糾纏來確定引力本身是否是量子現(xiàn)象。簡而言之：糾纏是一種量子現(xiàn)象，因此當(dāng)兩個僅通過重力相互作用的物體發(fā)生糾纏時，這證明了重力是一種量子現(xiàn)象。

技術(shù)

“在我們的最新論文中，我們描述了如何創(chuàng)建介觀量子疊加。利用其中兩個系統(tǒng)，我們能夠顯示出糾纏。” 但是，正如他們在工作中注意到的那樣，單個系統(tǒng)將對重力波敏感，這成為《新物理學(xué)雜志》論文的重點(diǎn)。

Mazumdar承認(rèn)：“構(gòu)建這些系統(tǒng)的技術(shù)可能需要數(shù)十年的開發(fā)時間。” 需要10 -15 Pascal的真空度，而工作溫度應(yīng)盡可能低，接近絕對零(-273°C)。“ 可以獲得實(shí)現(xiàn)高真空或低溫的技術(shù)，但是我們需要同時實(shí)現(xiàn)這兩種技術(shù)。” 此外，磁場必須恒定。“任何波動都會破壞量子疊加。”

自由落體

創(chuàng)建這種系統(tǒng)的回報(bào)將是巨大的。“它可以用于例如超低能物理或量子計(jì)算等領(lǐng)域的各種測量。” 而且，它當(dāng)然可以用來確定重力是否是量子現(xiàn)象。Mazumdar，Bose及其同事剛剛上傳了另一個預(yù)印本，其中描述了如何進(jìn)行此實(shí)驗(yàn)。“確保兩個糾纏的物體之間唯一的相互作用是重力Mazumdar解釋說，他們之間應(yīng)該在自由落體下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。他以可見的熱情描述了一個深礦中一公里長的下落軸，以減少干擾。應(yīng)該重復(fù)丟棄兩個糾纏的介觀量子系統(tǒng)，以獲得一個可靠的測量。“我認(rèn)為這可以在我的一生中做到。結(jié)果最終將解決物理學(xué)中最大的問題之一。”