Представьте, что квантовые компьютеры, оснащенные сверхточными оптическими часами, могут уловить дыхание гравитации. Именно это и описывает новое исследование, опубликованное в журнале PRX Quantum. Его авторы предлагают эксперимент, который покажет, как гравитация Земли влияет на хрупкие квантовые состояния.

Ученые рассчитали, что если разместить три квантовых компьютера на разной высоте, причем разница может составлять всего один километр, то искривление земного гравитационного поля уже будет достаточно, чтобы повлиять на их совместную квантовую связь. Это не просто техническая демонстрация. Цель — получить прямое доказательство, что стандартную квантовую теорию придется пересмотреть, чтобы она учитывала общую теорию относительности Эйнштейна.

Множество теоретических работ указывают на то, что современную квантовую теорию нужно изменить, вписав в нее общую теорию относительности. Мы разработали эксперимент, который проверяет один конкретный аспект этого расхождения», — поясняет Джейкоб Кови, профессор физики из Иллинойсского университета и ведущий автор исследования. «Сила нашего подхода в том, что он опирается на квантовые протоколы, которые уже были или скоро будут отработаны на практике.

Суть в гравитационном замедлении времени — эффекте, предсказанном Эйнштейном, когда часы в более сильном гравитационном поле тикают медленнее. Хотя этот эффект ярко выражен near черных дыр, на Земле он чрезвычайно мал. Ранее с помощью оптических часов ученые уже измеряли это замедление. Но никто еще не видел, как искривление пространства-времени меняет сами законы квантовой механики.

Теоретики предполагают, что гравитация может нарушать фундаментальный принцип квантовой теории — правило Борна. Оно позволяет переводить абстрактные расчеты в конкретные предсказания для экспериментов. Одно из его следствий касается интерференции — взаимного усиления и ослабления квантовых состояний.

• Как работает правило Борна для трех источников: оно утверждает, что для описания всей системы достаточно учесть попарную интерференцию между источниками 1 и 2, 1 и 3, 2 и 3.
• Что ищут ученые: если гравитация изменяет правило, то должна появиться особая, трехсторонняя интерференция, где одновременно взаимодействуют все три источника.

Чтобы обнаружить этот крошечный эффект, нужны невероятно точные датчики и значительная разница в гравитации. Эту роль и выполняет сеть из трех квантовых компьютеров с оптическими часами, разнесенных по высоте.

Для эксперимента физики предлагают использовать «W-состояния» — сложные квантовые системы из трех частиц, которые неразрывно связаны друг с другом. Такие состояния уже можно создавать на удаленных друг от друга квантовых компьютерах с помощью квантовой телепортации. Исследователи показали, что гравитационное замедление времени заставит компоненты W-состояния интерферировать именно так, что нарушение правила Борна станет заметным в экспериментальных данных.

Реальная польза этого исследования выходит далеко за рамки чистого любопытства.

• Во-первых, это шаг к созданию будущих «квантовых GPS» — систем позиционирования, точность которых будет на порядки превосходить современные, так как они будут учитывать релятивистские эффекты для самих квантовых сенсоров.
• Во-вторых, любое продвижение в понимании связи гравитации и квантовой механики — это ключ к единой теории всего, которая описывала бы все фундаментальные взаимодействия в природе. Такая теория могла бы радикально изменить наши представления о Вселенной и, в отдаленной перспективе, привести к новым источникам энергии или способам перемещения в пространстве.
• Наконец, сама технология создания стабильных квантовых сетей с оптическими часами — это драйвер для развития квантовых вычислений, безопасной связи и метрологии в целом.

Основное критическое замечание заключается в феноменальной сложности практической реализации. Авторы сами признают, что метод «в принципе относительно прост», но на деле это означает синхронизацию работы трех квантовых компьютеров, поддерживающих хрупкие W-состояния, в условиях внешних шумов (вибрации, температурные флуктуации, электромагнитные помехи). Гравитационный сигнал, который они пытаются уловить, неизбежно будет тонуть в этом шуме. Потребуются годы на то, чтобы добиться достаточной стабильности и точности всех компонентов системы одновременно, что делает эксперимент скорее долгосрочной дорогостоящей целью, нежели задачей на ближайшее будущее.

Ранее ученые