&bala; Física 18, 135
Um experimento proposto pode lançar luz sobre a interação desconhecida da teoria quântica e da relatividade geral.
A teoria quântica tem sido notavelmente bem -sucedida desde a sua criação há 100 anos. E, no entanto, há uma incompatibilidade gritante entre a natureza quântica e discreta da matéria e a aparente natureza contínua e clássica do espaço -tempo, na qual a matéria reside e interage. Essa disparidade levanta questões profundas. O espaço -tempo tem unidades indivisíveis, ou quanta, mesmo que não pareça ser divisível como a matéria (1Assim, 2)? E se sim, esses quanta têm assinaturas observáveis e influenciam outras áreas da física? Agora, Jacob Covey, na Universidade de Illinois, Urbana-Champaign e seus colegas, propuseram uma maneira de abordar essas questões (3). Sua estratégia envolve o uso de um estado quântico amplamente distribuído para investigar as características essenciais da teoria quântica no espaço -tempo curvo do campo gravitacional da Terra.
A proposta da equipe é relevante para o problema da gravidade quântica – isto é, como combinar coerente e logicamente a teoria quântica e a teoria geral da relatividade (4). Muitos pesquisadores consideram esse problema um dos maiores quebra -cabeças não resolvidos da física (embora alguns ainda pensem que a gravidade não deve ser quantizada e que todo o conceito de gravidade quântica pode ser fundamentalmente equivocado (5)). Mas, em comparação com outras áreas prósperas da teoria quântica e suas múltiplas aplicações, a gravidade quântica continua sendo uma empresa quase inteiramente teórica que é perseguida através da teoria das cordas, gravidade quântica de loop e muitas outras abordagens (4). Portanto, é inerentemente não empírico e especulativo, restrito apenas pelo nosso conhecimento atual da teoria quântica e da relatividade geral.
Na década de 1950, os físicos começaram a sugerir sondas experimentais de gravidade quântica que eram, naquele momento, amplamente impraticáveis. Nos últimos anos, os pesquisadores começaram a perseguir essas idéias mais seriamente, recorrendo a várias técnicas contemporâneas poderosas na óptica quântica, interferometria gravitacional e astronomia multimessenger. Os físicos consideraram muitas assinaturas possíveis de gravidade quântica, como o emaranhamento quântico induzido gravitacionalmente induzido de massas (6Assim, 7), flutuando o espaço -tempo em interferometria gravitacional (8) e efeitos intrínsecos de interferência quântica de terceira ordem ou superior em campos gravitacionais (9). (Tais efeitos de interferência são inerentemente impossíveis na teoria quântica sem gravidade devido à natureza quadrática da chamada regra nascida que governa o cálculo das probabilidades quânticas.) É nessa pesquisa emergente sobre a gravidade quântica que a proposta de Covey e seus colegas pertence.
A teoria quântica no espaço -tempo curvo pode ser teoricamente entendida além do limite em que a física newtoniana não fornece mais descrições precisas. Covey e seus colegas pretendiam conceber um experimento que, pela primeira vez, ofereça evidências empíricas de que a teoria quântica se mantém nesse regime extremo e investigar as propriedades fundamentais da teoria quântica em tais espacetime curvo pós-newtoniano. Como a equipe aponta, o principal desafio prático de tal esforço é a diferença minúscula na curvatura do espaço -tempo em toda a escala de comprimento típica dos efeitos quânticos.
Para superar esse desafio, Covey e seus colegas propõem a construção de um estado quântico amplamente distribuído que é sensível ao espaço-tempo curvo pós-newtoniano do campo gravitacional da Terra. Especificamente, eles consideram delocalizar um único relógio atômico óptico entre três sistemas atômicos situados em diferentes elevações separadas por distâncias em escala de quilômetro (Fig. 1). Essa deslocalização é alcançada codificando a presença ou ausência do relógio no estado de cada sistema, resultando em sistemas que compartilham um estado coletivo e emaranhado. Os pesquisadores mostram que as propriedades desse estado coletivo dependem das diferenças no chamado tempo adequado e, por sua vez, na curvatura do espaço-tempo entre os locais dos três sistemas atômicos.
Talvez o mais emocionante, Covey e seus colegas discutam como seu experimento proposto poderia investigar facetas fundamentais da teoria quântica no espaço -tempo curvo. Essas facetas incluem a linearidade, a unitaridade e a natureza probabilística da teoria (codificadas pela regra nascida). Tais aspectos são centrais para a estrutura, evolução e medição de estados quânticos. A principal novidade da abordagem da equipe é que ela combina vários avanços feitos na última década sobre átomos neutros e íons presos para obter uma nova e única sonda quântica de espaço -tempo curvo.
O que vem a seguir? A implementação do esquema proposto por Covey e seus colegas está atualmente no limite do que é experimentalmente possível (3). A principal dificuldade é a fragilidade inevitável do estado coletivo e coletivo necessário. Desafios semelhantes são enfrentados pelo outro, mencionado anteriormente sondas experimentais de gravidade quântica (6–9). O teste atual mais fraco dos princípios subjacentes da teoria quântica é provavelmente o da regra de Born, que foi testada mal em situações não previas e não na presença de gravidade (3Assim, 9). Essa área é onde podemos esperar as maiores surpresas para a gravidade quântica (10). Quaisquer que sejam os resultados de tais investigações, eles, sem dúvida, aprofundarão nossa compreensão da teoria quântica e, assim, ajudarão o desenvolvimento de tecnologias quânticas.
Referências
- Swkking e R. Penrose, “As singularidades do colapso gravitacional e da cosmologia”. Proc. Roy. Soc. UM 314529 (1970).
- Hawking, “criação de partículas por buracos negros”. Comun. Matemática. Phys. 43199 (1975).
- JP Covey et al.“Sondando o espaço -tempo curvo com um relógio de processador atômico distribuído”. Prx Quantum 6030310 (2025).
- J. de Boer et al.“Fronteiras da gravidade quântica: desafios compartilhados, direções convergentes”. ARXIV: 2207.10618.
- J. Oppenheim, “É hora de repensar a gravidade quântica?” Int. J. Mod. Phys. D 322342024 (2023).
- S. Bose et al.“Testemunha de emaranhamento de spin para a gravidade quântica”. Phys. Rev. Lett. 119240401 (2017).
- C. Marletto e V. Vedral, “Emaranhamento induzido gravitacional entre duas partículas maciças é uma evidência suficiente de efeitos quânticos na gravidade”. Phys. Rev. Lett. 119240402 (2017).
- EP Verlinde e KM Zurek, “Assinaturas observacionais da gravidade quântica em interferômetros”. Phys. Lett. B 822136663 (2021).
- P. Berglund et al.“Interferência tripla, efeito talbot não linear e gravitização do quantum”. Gravidade quântica clássica 40155008 (2023).
- T. Hübsch e D. Minic, “Gravidade Quântica como teoria quântica gravitada”. ARXIV: 2407.06207.
