В последние годы квантовые технологии продвинулись далеко за пределы теоретических моделей, открывая возможности для построения безопасного квантового интернета, объединения квантовых компьютеров и передачи информации с использованием принципов запутанности. Однако новое исследование, проведённое группой учёных из США и Европы, показывает, что эти сети могут сыграть ещё более важную роль — стать экспериментальной платформой для проверки взаимодействия квантовой механики и общей теории относительности.
Квантовая теория и теория гравитации Эйнштейна — два краеугольных камня современной физики — успешно описывают микромир и космические масштабы, соответственно. Однако они плохо согласуются в условиях, где обе должны применяться одновременно, например, вблизи чёрных дыр или в ранней Вселенной. На стыке этих теорий возникает задача построения квантовой гравитации — пока что недостижимой цели. Существуют теоретические предположения о том, что в искривлённом пространстве-времени квантовые эффекты могут вести себя иначе, чем в плоском. До недавнего времени проверить это было невозможно. Но теперь, благодаря достижениям квантовой оптики, фотоники и квантовой связи, появились новые подходы.
Игорь Пиковски из Технологического института Стивенса и его коллеги предложили использовать квантовые сети атомных часов для регистрации суперпозиций хода времени в разных точках пространства. Вблизи массивных объектов, где гравитация искривляет пространство-время, течение времени меняется — это предсказание Эйнштейна подтверждено на практике. Однако если распределённые атомные часы находятся в квантовой суперпозиции, можно наблюдать одновременно разные «ветви» времени. Такое поведение невозможно в классической физике, но предсказывается квантовой механикой. Исследование этих суперпозиций в кривизне пространства-времени позволяет напрямую проверить фундаментальные принципы на новом уровне.
Исследователи разработали конкретный экспериментальный протокол, в котором используются квантово-запутанные состояния, называемые W-состояниями. Эти состояния позволяют синхронизировать квантовые часы между узлами квантовой сети и регистрировать интерференцию, возникающую от наложения квантовых временных траекторий. Также используются такие элементы, как телепортация квантовых состояний и пары Белла — ключевые компоненты будущих квантовых коммуникационных систем. Всё это стало возможно благодаря технологиям манипуляции холодными атомами и фотонными интерфейсами, уже активно применяющимся в лабораториях по всему миру.
Авторы подчёркивают, что квантовая теория всегда считалась универсальной, но это предположение никогда не тестировалось вблизи гравитационных возмущений. Некоторые гипотезы, возникающие в теориях квантовой гравитации, предсказывают, что в сильных гравитационных полях нарушается унитарность квантовой эволюции или изменяются свойства запутанности. Квантовые сети — особенно распределённые по высоте над уровнем моря или в орбитальных условиях — становятся потенциальной средой для проверки таких эффектов.
Таким образом, квантовые сети — это не только технологическая основа для коммуникаций будущего, но и перспективная лаборатория для проверки гипотез, которые ранее были исключительно теоретическими. Они позволяют перейти от философских рассуждений о природе пространства, времени и материи к конкретным измерениям и экспериментам.
Это исследование представляет собой важный шаг к синтезу двух великих теорий XX века. Если квантовые сети действительно позволят зафиксировать отклонения от стандартной квантовой динамики в присутствии гравитации, это станет фундаментальным прорывом в физике. Даже если подобных эффектов не удастся обнаружить, полученные данные помогут уточнить границы применимости квантовой теории и усилят наше понимание взаимодействия материи с геометрией пространства.
Благодаря стремительному развитию квантовой науки, фундаментальные вопросы о времени, гравитации и квантовой реальности постепенно переходят из области умозрительной философии в область доступной для эксперимента физики.