《PRL》重磅：光對引力子的受激發射或吸收

調和阿爾伯特·愛因斯坦描述引力為時空彎曲的經典理論——廣義相對論，與支配自然界基本粒子和作用力的量子場論，仍然是現代物理學中最重大的挑戰之一。引力子——引力場的假想量子——是幾乎所有量子引力理論的核心預測，但由于其與物質的相互作用極其微弱，長期以來其直接探測一直被認為是不可能實現的。

發表在PRL題為《Stimulated emission or absorption of gravitons by light》的開創性提案，提供了一條有希望且可能可行的實驗途徑來探索引力的量子性質。通過類比量子光學中已充分理解的受激發射現象（激光的工作原理），這項工作將研究重點從被動觀測自發引力現象，轉向主動尋找引力子相互作用在實驗室環境中的量子指紋。

概念基礎：從經典到量子相互作用

擬議的實驗基于這樣一個理念：正如光子可以刺激處于激發態的原子發射出第二個相同的光子（受激發射）一樣，一個預先存在的經典引力波——可以視為一個由極高能量、相干引力子組成的場——也可以刺激光子發射或吸收單個引力子。

受激過程的類比

在傳統的量子光學中，支配光與物質相互作用的三個過程是：

1. 吸收：原子吸收光子，導致電子躍遷到更高的能級。
2. 自發發射：電子從激發態隨機衰減，發射一個光子。
3. 受激發射：一個入射光子與激發態原子相互作用，促使其立即衰減并發出第二個相同的光子。

引力子與光相互作用的提案模仿了第三種情況：

• 一個引力波（頻率為ω_GW）穿過一個介質（例如，一道激光束）。
• 激光束中的高能光子（頻率為ω_light）與引力波場發生相互作用。
• 受激吸收：光子吸收一個引力子，其能量（頻率）增加：?ω_light→?ω_light + ?ω_GW。
• 受激發射： 光子刺激引力波場發射一個引力子，其能量（頻率）減少：?ω_light→?ω_light - ?ω_GW。

這種能量轉移——光脈沖中極其微小的頻率漂移——是單個引力子交換的關鍵、可觀測的特征，從而證實了引力能量場的量子化性質。

實驗方案：“光學韋伯棒”

直接測量光脈沖因單個引力子交換而產生的能量變化是一個巨大的挑戰。一個典型引力波引力子（來自黑洞并合，ω_GW~102 Hz）的能量是微不足道的，對應于ΔE≈?ω_GW≈10^{-32}焦耳的能量偏移。

為了將這種微小的偏移放大成可測量的信號，該提案建議使用一種類似于引力波直接探測所使用的干涉儀設置，但重新用于量子傳感：一種基于擴展的 Sagnac 或 Mach-Zehnder 干涉儀幾何結構的“光學韋伯棒”。

探測機制

1. 脈沖分離：一束高能激光脈沖被分成兩半，沿著干涉儀長臂向相反方向傳播。
2. 相互作用：一個穿過的引力波（頻率為ω_GW）引起時空的瞬時應變h(t)。這種應變調制了光的速度和/或光程。至關重要的是，在引力波場中傳播的光脈沖會經歷一個頻率偏移（通過引力波引起的多普勒效應），該偏移與引力場強度和光子自身頻率成正比。
3. 相位累積：關鍵的創新在于一個相位累積階段。兩個頻率略有偏移（ω_light ±Δω）的光脈沖被要求傳播極遠的距離（通過高穩定真空中的復雜逆反射，可能達到10?公里或更長）。由于頻率略有不同，兩個脈沖的相位將逐漸漂移。
4. 干涉信號：當脈沖最終在一個探測器處重新組合時，累積的相位差（ΔΦ）將微小的頻率偏移轉化為一個顯著的、可測量的干涉或拍頻信號。這個可觀測相位偏移的大小與光和引力波場之間交換的總能量成正比。

決定性的量子檢驗在于這種能量轉移的量級：如果測得的能量轉移 E_transfer 超過了單個引力子的能量 (?ω_GW)，那么它就提供了引力子作為離散能量量子存在的“確鑿證據”。

對量子引力的意義

這項實驗的成功實現將帶來深遠的影響，從根本上標志著人類與引力關系的轉變——從被動觀測自然現象（如LIGO對引力波的探測）到主動操縱其量子組成部分。

• 引力子的實驗證據：引力子交換的明確特征將為引力場是量子化的提供第一個真正的實驗證據，驗證量子引力學的核心信條。
• 探測量子引力態： 通過采用高度非經典的光態，例如 NOON 態（一種特殊的光子糾纏態），該實驗可以超越單純的引力子探測。它有可能探測引力場本身的實際量子統計和糾纏特性，為量子引力理論的發展提供經驗指導。
• 與電磁學的歷史相似性： 該提案常被比作本杰明·富蘭克林對閃電的實驗。正如富蘭克林的工作將電磁學從一種自然現象轉變為一種可控、可操縱的力量一樣，控制和探測單個引力子交換的能力可以為引力像電磁學一樣成為可控技術資源的未來鋪平道路。

盡管技術障礙是巨大的，特別是對超長、超穩定相位累積階段和超靈敏量子傳感的需求，但通過光來探測受激引力子發射的概念，代表了在追求實驗量子引力道路上一個現實的、非基礎性的障礙。這是一個大膽的提議，它將現代物理學的終極挑戰置于接近未來量子技術的射程之內。