Förra året, Anupam Mazumdar, en fysiker från universitetet i Groningen, tillsammans med kollegor från Storbritannien föreslog ett experiment som slutgiltigt skulle kunna bevisa om gravitation är ett kvantfenomen. Detta experiment skulle fokusera på att observera två relativt stora, intrasslade kvantsystem i fritt fall. I en ny artikel, publicerad den 4 juni i Physical Review Research , forskarna beskriver mer i detalj hur två typer av buller kan reduceras. De föreslår att kvantinterferens kan tillämpas vid tillverkningen av ett känsligt instrument som kan upptäcka rörelser av föremål, allt från fjärilar till inbrottstjuvar och svarta hål.

Centralt i detta experiment är en liten diamant, bara några nanometer i storlek, där en av kolatomerna har ersatts av en kväveatom. Enligt kvantfysiken, den extra elektronen i denna atom skulle antingen absorbera eller inte absorbera fotonenergin från en laser.

Diamant

Absorption av energin skulle förändra elektronens spin-värde, 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 dess snurr är både upp och ner, " förklarar Mazumdar. Denna process resulterar i kvantöverlagring av hela diamanten. Genom att applicera ett magnetfält, det är möjligt att separera de två kvanttillstånden. När dessa kvanttillstånd sammanförs igen genom att stänga av magnetfältet, de kommer att skapa ett interferensmönster.

Denna diamant är tillräckligt liten för att upprätthålla denna superposition, men den är också tillräckligt stor för att påverkas av tyngdkraften. När två av dessa diamanter placeras bredvid varandra under fritt fall, de samverkar endast via gravitationskraften mellan dem. Experimentet var ursprungligen utformat för att testa om gravitationen i sig är ett kvantfenomen. Enkelt uttryckt, eftersom intrassling är ett kvantfenomen, intrassling av två objekt som endast interagerar genom gravitation skulle tjäna som bevis på att gravitation är ett kvantefenomen.

Kollision

Varje rörlig massa kommer att ha en effekt på detta mycket känsliga kvantsystem. I deras senaste tidning, Mazumdar och kollegor beskriver hur dessa störningar kan minskas. Dock, det är också uppenbart att detta system skulle kunna användas för att detektera rörliga massor. Den första bullerkällan är gaskollisionen med experimentkapseln i fritt fall. Även inverkan av fotoner kan skapa en störning. "Våra beräkningar visar att dessa effekter minimeras genom att placera den experimentella kapseln i en större behållare, som skapar en kontrollerad miljö, " förklarar Mazumdar.

Inuti en sådan yttre behållare, detta ljud är försumbart vid ett tryck på 10 ^-6 Pascal, även vid rumstemperatur. Kraven på förhållanden inom experimentkapseln är strängare. För närvarande, forskarna uppskattar ett nödvändigt tryck på 10 ^-15 Pascal på cirka 1 Kelvin. Med tanke på det nuvarande tekniska tillståndet, detta är ännu inte genomförbart, men Mazumdar räknar med att det mycket väl kan vara möjligt inom cirka 20 år.

Rymdskrot

Flytta föremål, även så liten som en fjäril, som ligger nära försöksplatsen utgör en andra bullerkälla. Beräkningar visar att detta buller också kan dämpas relativt enkelt genom att begränsa tillgången till försöksplatsen. Människor bör hålla ett avstånd på minst 2 meter från försöksplatsen, och bilar bör hålla ett minsta avstånd på 10 meter från platsen. Att passera flygplan på ett avstånd av mer än 60 meter från försöksplatsen skulle inte utgöra några problem. Alla dessa krav kan enkelt uppfyllas.

När experimentet väl är igång, dess omfattning skulle kunna utvidgas bortom en undersökning av kvantgravitation, enligt Mazumdar. "Du kan lägga den i en rymdfarkost, där det är i fritt fall hela tiden. Sedan, du kan använda den för att upptäcka inkommande rymdskräp. Genom att använda flera system, det skulle till och med vara möjligt att få skräpets bana." Ett annat alternativ är att placera ett sådant system i Kuiperbältet, där det skulle känna av vårt solsystems rörelse i rymden. "Och den kunde upptäcka alla närliggande svarta hål, "Tillägger Mazumdar.

Tillbaka på jorden, kvantsystemet skulle kunna upptäcka tektoniska rörelser och kanske ge tidiga varningar om jordbävningar. Och, självklart, kvantsystemets känslighet för alla rörelser som sker i närheten av det skulle göra det till ett ideal, om det är lite komplext, rörelsesensor och inbrottslarm. Men för nu, fokus under de närmaste decennierna ligger på att avgöra om gravitation är ett kvantfenomen.