Previsões de teorias que combinam mecânica quântica com gravidade podem ser observadas usando detecção de fótons altamente sensível em um experimento de mesa.
inventory.adobe.com/ec0de
Percepção de pixels. O experimento Gquest propõe detectar flutuações no tecido do espaço -tempo que seriam uma assinatura das teorias quânticas da gravidade.
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Percepção de pixels. O experimento Gquest propõe detectar flutuações no tecido do espaço -tempo que seriam uma assinatura das teorias quânticas da gravidade.
As teorias da gravidade quântica tentam unir a gravidade e a mecânica quântica. Um experimento de mesa proposto chamado gravidade do emaranhamento quântico do tempo do espaço (GQUEST) procuraria um efeito previsto de tais teorias usando um novo tipo de interferômetro – um que conta fótons em vez de medir padrões de interferência. A equipe do Gquest agora calculou a sensibilidade de seu design e mostrou que pode recuperar o sinal previsto 100 vezes mais rápido que as configurações tradicionais de interferômetro (1).
A quantização da gravidade implica que o espaço -tempo não é contínuo – torna -se “pixelizado” quando você olha para escalas tão pequenas quanto 10–35 m, pequeno demais para ser sondado em qualquer experimento. No entanto, certos modelos de gravidade quântica prevêem que o espaço-tempo pode flutuar-um tipo de alongamento e espremer espontâneo no tecido do espaço-tempo que pode produzir efeitos observáveis (2). “Você não pode detectar um único pixel, mas pode detectar as flutuações coerentes de muitos pixels”, diz Kathryn Zurek teórica da Caltech. Ela formulou um modelo “Pixellon”, que prevê que as flutuações coletivas dentro de um interferômetro podem causar uma mudança de frequência detectável, ou modulação, na luz de saída do interferômetro (3).
Essa previsão é o que Zurek e seus colegas planejam testar usando o GQUEST, cuja versão preliminar está sendo construída atualmente na Caltech. O format básico do experimento é o de um interferômetro clássico de Michelson, no qual a luz é dividida em dois caminhos e depois recombinada para produzir um padrão de interferência. Experimentos como o LIGO monitoram esses padrões, procurando variações causadas por ondas gravitacionais. No entanto, essa estratégia de medição não é prática para detectar modulações induzidas por Pixellon, diz Lee McCuller, da Caltech, o líder da equipe da Gquest. “No Ligo, o poder está constantemente flutuando para cima e para baixo devido ao ruído do tiro, por isso é muito difícil resolver um pouco de flutuações extras, como esperado do modelo Pixellon”, diz ele.
S. Vermeulen/Caltech
Mantendo a contagem. O design do Gquest se assemelha a um interferômetro clássico de Michelson, com um feixe de laser (vermelho) atingindo um divisor de feixe e dividindo -se em dois caminhos com espelhos nas pontas. A previsão é que parte dessa luz interagirá com as flutuações da gravidade quântica, produzindo um sinal modulado na luz de saída (rosa). Em vez de procurar essa modulação no padrão de interferência, a equipe da Gquest planeja filtrar a luz com uma cavidade espelhada e contar o número de fótons (azul) que sai em uma frequência de deslocamento.
S. Vermeulen/Caltech
Mantendo a contagem. O design do Gquest se assemelha a um interferômetro clássico de Michelson, com um feixe de laser (vermelho) atingindo um divisor de feixe e dividindo -se em dois caminhos com espelhos nas pontas. A previsão é que parte dessa luz interagirá com as flutuações da gravidade quântica, produzindo um sinal modulado na luz de saída (rosa). Em vez de procurar essa modulação no padrão de interferência, a equipe da Gquest planeja filtrar a luz com uma cavidade espelhada e contar o número de fótons (azul) que sai em uma frequência de deslocamento.
Para procurar um sinal de gravidade quântica, McCuller e seus colegas estão desenvolvendo um interferômetro de contagem de fótons. A idéia é medir a saída do interferômetro em uma frequência de “banda lateral”-um deslocamento da frequência a laser de 200 quintões em 17 MHz. As frequências da banda lateral são familiares a partir de sinais de rádio AM, pois correspondem a modulações na amplitude da onda da transportadora. Os interferômetros respondem de maneira semelhante ao ruído e outros efeitos ambientais, mas a quantidade de luz de banda lateral gerada é tipicamente insignificante em um deslocamento de até 17 MHz. No entanto, um fóton a laser pode ter sua frequência alterada significativamente por uma interação com uma flutuação de Pixellon. “Em vez de obter zero luz vazando, você fica um pouco”, diz McCuller.
A equipe escolheu essa frequência de banda lateral específica para se alinhar com um pico esperado nas flutuações de Pixellon, explica a lander vermeulen da Caltech. Para ter certeza de que qualquer luz detectada é da Pixellon Results, os pesquisadores usarão cavidades ópticas para filtrar todas as frequências próximas. Se for bem -sucedido, a quantidade de vazamento de luz deve ser extremamente pequena – a equipe estima cerca de um fóton modulado a cada 12 minutos, ou uma taxa de 10–3 Hz. Para detectar um sinal tão fraco, os pesquisadores instalarão um sensor de supercondutora-nanáfio, que pode detectar fótons únicos com uma taxa muito pequena de contagem escura (falsa sinal).
Existem outros efeitos que podem fazer com que os fótons vazem do sistema, como o ruído térmico nos espelhos. Os pesquisadores calcularam o nível de ruído esperado para seu projeto experimental. Eles descobriram que o projeto do interferômetro de contagem de fótons pode detectar se um sinal está presente 100 vezes mais rápido que uma configuração tradicional de interferômetro que detecta mudanças no sinal de interferência.
Os pesquisadores estão atualmente construindo um experimento de demonstração em escala de 1 m. Se der certo, eles planejam construir o experimento em larga escala, que seria de 7 m de lado. Eles também projetam a construção de dois interferômetros próximos um do outro, o que poderia fornecer uma verificação adicional contra o ruído de fundo.
“A conversão de uma leitura interferométrica para um detector de fóton único é realmente uma idéia engenhosa”, diz Stefan Ballmer, especialista em ondas gravitacionais da Universidade de Syracuse, Nova York. Ele diz que o design evita alguns limites de incerteza quântica que afetam as abordagens de medição tradicionais, mas os pesquisadores da GQUEST enfrentarão desafios na filtragem de sua produção suficientemente.
A estratégia do Gquest “resultará em melhorias significativas na sensibilidade a pequenos sinais”, diz Aaron Chou, especialista em metrologia quântica, da Universidade de Chicago. O método de contagem de fótons se beneficia das taxas aprimoradas de contagem escura de 10–5 Hz nos melhores detectores supercondutores-nanáfios. “Esse baixo ruído de medição permite que os experimentadores se concentrem na redução de outras fontes de ruído em seu aparelho”, diz Chou. Ele e Ballmer imaginam esse design de contagem de fótons sendo aplicado à busca de outros sinais, como ondas gravitacionais do Universo Iniciante.
–Michael Schirber
Michael Schirber é um editor correspondente para Revista de Física Sediada em Lyon, França.
Referências
SM Vermeulen et al.“Interferometria de contagem de fótons para detectar flutuações de espaço-tempo geontrópico com Gquest”. Phys. Rev. x15011034 (2025).
EP Verlinde e KM Zurek, “Assinaturas observacionais da gravidade quântica em interferômetros”. Phys. Lett. B822136663 (2021).
KM Zurek, “nas flutuações de vácuo na gravidade quântica e nas flutuações do braço do interferômetro”. Phys. Lett. B826136910 (2022).
Sander M. Vermeulen, Torrey Cullen, Daniel Grass, Ian A. O. Macmillan, Alexander J. Ramirez, Jeffrey Wack, Boris Korzh, Vincent S. H. Lee, Kathryn M. Zurek, Chris Stoughton e Lee McCuller
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