在彎曲時空中檢驗量子理論

量子理論和廣義相對論是現代物理學的兩大基本理論，它們都已被高度精確地驗證。量子理論解釋了微觀粒子世界的諸多奇妙現象，而廣義相對論則解釋了什么是引力。

在廣義相對論中，引力不再被視為一種力，而是時空彎曲的結果。根據廣義相對論，引力越強的地方，時間流逝得越慢，這就是所謂的“引力時間膨脹”。這引發了更深層次的問題：這種隨引力變化的時間流動，是否會影響量子力學的運行機制？當我們試圖統一量子理論和廣義相對論時，是否需要對其中之一，甚至兩個理論都進行修正？

在一項新發表于《PRX Quantum》的研究中，一個研究團隊提出了一種新方案，表示借助由光學原子鐘構成的量子計算機網絡，物理學家或將有望通過實驗來探測這兩大理論之間的相互作用，并在彎曲時空中直接檢驗量子理論的適用性。

玻恩定理與三源干涉

根據廣義相對論，質量的存在會使時空發生彎曲。而這種彎曲可通過引力時間膨脹現象在量子系統中表現出來——即分布在不同高度的時鐘將經歷不同的時間流速。這一效應在黑洞和中子星等超高密度天體周圍尤為顯著，但在引力相對較弱的地球上則相對微弱。

因此，研究人員認為，要想在地球附近探測這種時間膨脹效應，必須依賴光學原子鐘的極高量子測量精度。然而，沒有實驗能直接觀測到時空曲率對量子力學本身的影響。

以往的理論研究認為，時空的曲率可能會改變公認的量子理論中的一個基本原則——玻恩定理（Born rule）。

玻恩定理是一條建立在量子理論的線性基礎上的原則，它使得抽象的數學表達可轉化為實驗可驗證的預測。然而，這種定理的偏離極難捕捉，因為它們只會出現在具有一定“內在非線性”的量子系統中。

玻恩定理的一個預測是：多個量子源之間如何組合并產生干涉。在一個由三個量子源組成的系統中，玻恩定理認為只需考慮成對干涉（也就是源1與源2、源1與源3、源2與源3）就可以完整描述系統。若引力改變了這一定理，就會出現一種三源同時干涉的現象。

要測試這種情況，就必須構建一個三源系統，并確保這三個源覆蓋了足夠大的非線性，從而讓這種偏離在實驗中被清晰地觀測到。

三節點量子網絡

于是，在新的研究，物理學家提出了這個由三個光學原子處理器節點組成的量子網絡：只需將三臺量子計算機在垂直方向上拉開約1千米的高度差，就足以讓地球引力場的非線性效應影響它們之間共享的量子態。

地球引力通過彎曲時空顯現出來，這種時空曲率可能會改變標準量子理論的基本規則。一個由三臺位于不同高度的量子計算機組成的實驗，能夠揭示引力與量子力學之間的深層相互作用。（圖/Igor Pikovski）

具體而言，他們設想將一個光學原子鐘的狀態以退局域的方式地分布在三個位于不同高度、相距千米的原子系統之間。這種退局域性通過將鐘的“存在”與“不存在”狀態編碼進每個原子系統的量子態中來實現，從而使這三個系統能共同組成一個集體性的糾纏態量子系統，即所謂的“W態”。

目前的量子技術已經能夠通過量子隱形傳態（即將一個粒子的量子態轉移到另一個粒子），在物理上相互分離的計算機之間創建W態。利用這一事實，研究人員證明：引力時間膨脹將導致W態的各個組分呈現出特定的干涉圖樣，從而能夠明確預期，如果玻恩定理發生偏離，這種偏離將在實驗數據中以何種方式表現出來。

研究人員解釋道，新方案的優勢在于，它依賴于已經被實驗證實或即將實現的量子信息協議，因此比較容易實施。這一方案可以實現對彎曲時空背景下量子理論的實驗驗證，從而為探索量子力學與廣義相對論的交匯點開辟了新路徑。

#參考來源：

https://iquist.illinois.edu/news/76824

https://www.stevens.edu/news/quantum-internet-meets-space-time-in-this-new-ingenious-idea

https://journals.aps.org/prxquantum/abstract/10.1103/q188-b1cr

https://physics.aps.org/articles/v18/135#c3

#圖片來源：

封面圖&首圖：Caltech/MIT/LIGO Lab/(T. Pyle)