了解引力的基本性質(zhì)一直是物理學(xué)研究的一個(gè)關(guān)鍵方面，它在現(xiàn)有的理解中仍然是經(jīng)典的。另一方面，量子力學(xué)在微觀層面上占據(jù)著主導(dǎo)地位，但其對(duì)引力的影響仍然難以捉摸。量子引力是當(dāng)今理論物理學(xué)中最重大的挑戰(zhàn)之一，在這個(gè)方向上的關(guān)鍵一步是測(cè)試引力的“量子化”。

傳統(tǒng)上，探測(cè)引力量子方面的方法通常依賴于檢測(cè)大質(zhì)量物體之間的糾纏，這是量子力學(xué)的一個(gè)標(biāo)志。然而，在引力實(shí)驗(yàn)所需的宏觀尺度上產(chǎn)生和探測(cè)糾纏存在重大的技術(shù)障礙。最近發(fā)表在《物理評(píng)論X》的論文提出了一種新的方法論，它繞過(guò)了對(duì)糾纏的需求，可能會(huì)徹底改變我們測(cè)試引力量子性質(zhì)的方法。

I. 量子引力簡(jiǎn)介

量子引力是理論物理學(xué)的一個(gè)領(lǐng)域，它試圖根據(jù)量子力學(xué)的原理來(lái)描述引力。物理學(xué)的兩個(gè)主要理論，廣義相對(duì)論和量子力學(xué)，在各自的領(lǐng)域都非常成功。然而，當(dāng)分別描述宇宙尺度和亞原子尺度上的現(xiàn)象時(shí)，它們從根本上是不相容的。這種不相容提出了現(xiàn)代物理學(xué)中最重大的挑戰(zhàn)之一:引力與量子理論的統(tǒng)一。

II. 糾纏的挑戰(zhàn)

糾纏是一種粒子相互連接的現(xiàn)象，無(wú)論粒子之間的距離如何，一個(gè)粒子的狀態(tài)都會(huì)立即影響另一個(gè)粒子的狀態(tài)。糾纏態(tài)通常是脆弱的，容易被噪聲和環(huán)境相互作用破壞。將它們放大到引力實(shí)驗(yàn)所需的尺寸和質(zhì)量，進(jìn)一步放大了這些困難。此外，檢測(cè)糾纏本身需要復(fù)雜和高度精確的測(cè)量。這些技術(shù)挑戰(zhàn)阻礙了基于糾纏的量子引力測(cè)試的進(jìn)展，鑒于當(dāng)前的技術(shù)限制，這是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。

III. 一種新方法

最近的研究提出了一種測(cè)試引力量子性質(zhì)而無(wú)需依賴糾纏的新方法。這種方法涉及使用大質(zhì)量量子諧振子的相干態(tài)，類似于1797年卡文迪什實(shí)驗(yàn)中使用的那些，來(lái)證明引力相互作用的量子性質(zhì)。該提議基于這樣一個(gè)原則，即某些不能通過(guò)局部操作和經(jīng)典通信（LOCC）模擬的幺正演化，表明了底層動(dòng)力學(xué)的非經(jīng)典性。

IV. 理論基礎(chǔ)

該方法認(rèn)為，如果一個(gè)引力相互作用系統(tǒng)的演化不能通過(guò)LOCC復(fù)制，那么該系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)就不能用局部經(jīng)典場(chǎng)來(lái)解釋，從而表明其量子特性。這是通過(guò)計(jì)算最大LOCC模擬保真度的上限來(lái)建立的，稱為“LOCC不等式”。違反這個(gè)不等式將意味著引力動(dòng)力學(xué)的非經(jīng)典性。

V. 實(shí)際意義

這個(gè)方案的實(shí)際實(shí)施將包括在特定的量子態(tài)(即相干態(tài))中制備這些振子，然后觀察它們?cè)诰目刂频囊?chǎng)影響下的行為。通過(guò)精確測(cè)量這些振子的響應(yīng)，對(duì)這類系統(tǒng)的LOCC不等式進(jìn)行分析計(jì)算是研究的主要技術(shù)貢獻(xiàn)之一。值得注意的是，這種方法不需要生成大范圍的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，也不需要在任何過(guò)程中檢測(cè)糾纏，使其成為比以前的方法更可行的方法。

VI. 結(jié)論

測(cè)試引力量子性質(zhì)而無(wú)需糾纏的提議為實(shí)驗(yàn)物理學(xué)開辟了新的途徑。它提供了一條更易于探測(cè)引力量子性質(zhì)的途徑，這可能會(huì)導(dǎo)致我們對(duì)宇宙的理解發(fā)生重大進(jìn)展。隨著研究的進(jìn)展，我們可能很快就會(huì)見證到引力——這種最弱但最普遍的力量——在量子領(lǐng)域內(nèi)運(yùn)作的實(shí)證證據(jù)，從而重塑我們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)。