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加快暗物质被发现,量子引力很快将使用超冷原子进行测试

得益于科学技术的发展突破和观察实验室里的标量愈来愈完善着完美的标准模型,量子引力可能会很快在实验室中进行测试。利用量子信息科学的进步,研究人员发现如果重力从根本上说是量子而不是经典的,那么它必须产生一个称为非高斯性的特征。为了寻找这种特征,他们提议探测存在于数十亿个铯原子中的超冷气体,该气体以一种玻色-爱因斯坦冷凝物(BEC)的状态存在。

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量子引力理论是试图统一广义相对论和量子力学的版本通常涉及量化引力,譬如超弦理论或环形量子引力。由于只有很少的经验数据来支持这些理论,一些物理学家已经开发出了另一种统一的理论对物质进行了量化合规,但引力本身仍然是一个基本的经典变量。

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以前大多数科学家认为,鉴于应量化时空的规模,不可能在实验室中区分这两种类型的理论。“普朗克长度”(仅1.6×10 – 35 m)只能通过使用银河大小的加速器碰撞粒子直接探测到。

可管理的普朗克质量

量子力学认为可以在“普朗克质量”更易管理的范围内进行量子引力测试,大约为22 g。挑战在于创建一个可以在宏观范围内保持相干量子状态的真实系统,解决方案可能依赖于为构建量子计算机和其他量子技术而开发的技术。

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牛津大学的Vlatko Vedral和其他研究人员在2017年提出的一项这样的建议涉及观察两个微球之间的量子纠缠,每个微球都放置在两个空间位置的叠加中。通过阻止球体之间所有其他可能的相互作用,必须通过重力相互作用发生任何纠缠。正如直到最近新研究中指出的那样,经典理论的非局部效应很可能导致这种纠缠。

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为了对量子引力进行更明确的规范测试,新工作依赖于非高斯性。需要执行通用量子计算,这是量子系统的特性,其时间演化算符不只是量子变量的线性或二次函数。犹如发出引力子的物质粒子将是非高斯的,因为代表相互作用的费曼图将涉及三个量子算符(与经典情况下的两个相反)。

数十亿个原子

Vedral及其同事从理论上证明,如果系统显示非高斯性,则其引力相互作用必须是量子力学的。事实上他们是从量子理论上解释引力而不是高斯几何进行规模度量化,他们已经确定了可以针对此特性进行审查的量子系统,可以使用现有技术来建立该量子系统。

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该系统是BEC,一种物质状态,其中所有原子都被冷却到如此低的温度,以至于最终它们共享相同的量子态。更具体地说研究人员建议将直径40亿个铯133的0.2毫米直径的冷凝物保持在球形光阱中约2s。

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有几种方法可以检查此系统。一种选择涉及从冷凝器中释放冷凝物,然后将其通过物质波分束器发送。通过测量两个射出光束中的原子数并重复多次此过程,如果重力确实是量子力学的,则这些数之间的差应遵循非高斯分布。

Vedral及其同事坚持认为,与微球相比,这种设置具有多个优势。譬如它涉及单个位置中的单个量子系统,研究小组认为BEC可以自然地消除电磁相互作用而电磁相互作用也将表现出非高斯性,因此可能产生虚假的正信号。

费什巴赫共振

微球实验只需将球放置在足够远的部分即可将电磁力最小化,该距离应使物体的相互重力大于范德华力。这样做也会减少重力相互作用。

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对于冷凝物,当系统暴露于适当的磁场或激光束中时,费什巴赫共振使组成原子之间的电磁相互作用的总强度变为零。

在实验室中进行实验将涉及克服许多技术障碍,包括如何使原子处于其初始量子态。BEC已被置于庞大的非经典状态,并未置于此处所需的那种状态

这是一种宏观压缩状态,它利用海森堡的不确定性原理来减少测量变量(BEC的位置或动量)中的噪声,以增加其他变量中的噪声为代价的,这不会影响测量。

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纠缠质量可以探测量子引力

生成此状态将非常棘手,因为它将需要转换自旋和原子序数的压缩状态-对于如此大的BEC从未如此。我们可以使用更小的压缩状态测量,这反过来又意味着将冷凝物中的原子数和实验次数都增加了两个数量级。

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澳大利亚昆士兰大学的杰拉德·米尔伯恩(Gerard Milburn)对这项新工作背后的原理充满热情-将转向非高斯签名的做法描述为“一个非常好的主意”。他还告诫说,鉴于冷凝物本身的非高斯动力学产生的量子噪声,将这一想法付诸实践并非易事。

对于量子引力测量我的猜测是,这些效应至少会与量子引力产生的非高斯效应一样大。

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