Rum-tidsdiagram över kvanttillståndsinterferens. Genom att vända det interna spinntillståndet som inte är noll vid tidpunkterna \tau_{1} och \tau_{2} kan partikeln fås att följa de blå (snurr +/-1) och orange (spin 0) banorna. Genom att göra så når de en maximal rumslig superpositionsstorlek \Delta x innan de förs tillbaka för att störa vid tidpunkten \tau_{3} | Kredit:R. Marshman et al
En grupp teoretiska fysiker, inklusive två fysiker från universitetet i Groningen, har föreslagit en "bordsskiva"-anordning som kan mäta gravitationsvågor. Dock, deras egentliga syfte är att svara på en av fysikens största frågor:är gravitation ett kvantfenomen? Nyckelelementet för enheten är kvantöverlagring av stora föremål. Deras design publicerades i New Journal of Physics den 6 augusti.
Redan i preprint-stadiet, uppsatsen som skrevs av Ryan J. Marshman, Peter F. Barker och Sougato Bose (University College London, STORBRITANNIEN), Gavin W. Morley (University of Warwick, Storbritannien) och Anupam Mazumdar och Steven Hoekstra (University of Groningen, Nederländerna) hyllades som en ny metod för att mäta gravitationsvågor. Istället för de nuvarande kilometerstora LIGO- och VIRGO-detektorerna, fysikerna som arbetar i Storbritannien och i Nederländerna föreslog en bordsdetektor. Den här enheten skulle vara känslig för lägre frekvenser än strömdetektorerna och det skulle vara lätt att rikta dem mot specifika delar av himlen – i kontrast, strömdetektorerna ser bara en fast del.
Diamant
Den viktigaste delen av enheten är en liten diamant, bara några nanometer i storlek. "I denna diamant, ett av kolen är ersatt av en kväveatom, " förklarar biträdande professor Anupam Mazumdar. Denna atom introducerar ett fritt utrymme i valensbandet, som kan fyllas med en extra elektron. Kvantteorin säger att när elektronen bestrålas med laserljus, den kan antingen absorbera eller inte absorbera fotonenergin. Att absorbera energin skulle förändra elektronens spinn, ett magnetiskt moment som kan vara antingen uppåt eller nedåt.
"Precis som Schrödingers katt, som är död och levande på samma gång, detta elektronspin tar och absorberar inte fotonenergin, så att dess spin är både upp och ner." Detta fenomen kallas kvantsuperposition. Eftersom elektronen är en del av diamanten, hela föremålet - med en massa på cirka 10 -17 kilogram, som är enormt för kvantfenomen — är i kvantöverlagring.
"Vi har en diamant som snurrar upp och ner samtidigt, " förklarar Mazumdar. Genom att applicera ett magnetfält, det är möjligt att separera de två kvanttillstånden. När dessa kvanttillstånd förs samman igen genom att magnetfältet stängs av, de kommer att skapa ett interferensmönster. "Arten av denna interferens beror på avståndet de två separata kvanttillstånden har färdats. Och detta kan användas för att mäta gravitationsvågor." Dessa vågor är sammandragningar av rymden, så att deras passerande påverkar avståndet mellan de två separerade tillstånden och därmed interferensmönstret.
Saknad länk
Tidningen visar att denna uppställning verkligen kunde upptäcka gravitationsvågor. Men det är inte vad Mazumdar och hans kollegor egentligen är intresserade av. "Ett system där vi kan få kvantöverlagring av ett mesoskopiskt objekt som diamanten, och under en rimlig tid, skulle vara ett verkligt genombrott, " säger Mazumdar. "Det skulle tillåta alla typer av mätningar, och en av dessa skulle kunna användas för att avgöra om gravitationen i sig är ett kvantfenomen." Kvantgravitationen har varit den "felande länken" i fysiken i nästan ett sekel.
I en tidning som publicerades 2017, Mazumdar och hans långvariga samarbetspartner Sougato Bose, tillsammans med flera kollegor, föreslog att intrassling mellan två mesoskopiska objekt skulle kunna användas för att ta reda på om gravitationen i sig är ett kvantfenomen. Enkelt uttryckt:intrassling är ett kvantfenomen, så när två objekt som endast interagerar genom gravitationen visar intrassling, detta bevisar att gravitationen är ett kvantfenomen.
Teknologi
"I vår senaste tidning, vi beskriver hur man skapar mesoskopisk kvantöverlagring. Med två av dessa system, vi kunde visa förveckling." som de märkte under sitt arbete, det enda systemet skulle vara känsligt för gravitationsvågor och detta blev fokus för New Journal of Physics papper.
"Tekniken för att bygga dessa system kan ta några decennier att utveckla, Mazumdar erkänner. Ett vakuum på 10 -15 Pascal krävs, medan driftstemperaturen ska vara så låg som möjligt, nära absolut noll (-273 °C). "Teknik för att uppnå antingen högt vakuum eller låg temperatur finns tillgänglig, men vi behöver tekniken för att uppnå båda samtidigt." Dessutom, magnetfältet måste vara konstant. "Varje fluktuation som helst skulle kollapsa kvantöverlagringen."
Fritt fall
Belöningen för att skapa den här typen av system skulle vara stor. "Det kan användas för alla typer av mätningar inom områden som ultralågenergifysik eller kvantberäkning, till exempel." Och det kunde, självklart, användas för att avgöra om gravitation är ett kvantfenomen. Mazumdar, Bose och kollegor har precis laddat upp ytterligare ett förtryck där de beskriver hur detta experiment skulle kunna utföras. "För att säkerställa att den enda interaktionen mellan de två intrasslade föremålen är gravitationen mellan dem, experimentet bör göras i fritt fall, " förklarar Mazumdar. Med synlig entusiasm, han beskriver ett en kilometer långt droppschakt i en djup gruva, för att minska störningar. Två intrasslade mesoskopiska kvantsystem bör släppas upprepade gånger för att få en tillförlitlig mätning. "Jag tror att det här kan göras under min livstid. Och resultatet skulle äntligen lösa en av fysikens största frågor."
