人们认为引力由称为引力子的微小量子构建块组成，但到目前为止，它们被证明太难以捉摸而无法观察到。Pikovski 研究小组的一项新发现表明，下一代量子传感器可以捕获单个 1 个。图片来源：Pikovski Research Group

由史蒂文斯教授伊戈尔·皮科夫斯基 （Igor Pikovski） 领导的一个团队刚刚概述了如何探测单个引力子，这些引力子被认为是引力的量子构建块——他们认为，在不久的将来，量子技术应该可以使该实验成为现实。

“这是一个长期以来被认为不可能的基础实验，但我们认为我们已经找到了一种方法，”同样隶属于斯德哥尔摩大学的史蒂文斯物理学教授伊戈尔·皮科夫斯基 （Igor Pikovski） 说。

Pikovski 领导了一个由一年级研究生 Germain Tobar、Thomas Beitel 和博士后研究员 Sreenath Manikandan 组成的团队。他们关于“用量子传感检测单个引力子”的结果发表在《自然通讯》上。

重力就是起作用。物体坠落，行星相互绕行。一百多年前，爱因斯坦将引力解释为时空的变化，彻底改变了我们对引力的理解。许多以前无法想象的引力影响现在已经得到证实：时间膨胀、引力波或黑洞。

但是引力还有一点特别之处：到目前为止，我们只看到了它的“经典”版本，而所有其他力都用量子理论来解释。长期以来，物理学的圣杯之一一直是将引力与量子力学联系起来，但这个问题仍未解决。在任何量子引力理论中，我们都会预期某些单个不可分割的粒子会出现。

物理学家将这些难以捉摸的粒子命名为引力子——将它们视为引力的构建块，就像原子是物质的构建块一样。从理论上讲，经常从黑洞碰撞等巨大宇宙事件中穿过地球的引力波是由大量的引力子组成的。

像 LIGO 这样令人印象深刻的大型探测器现在可以确认这种引力波的存在。然而，历史上从未检测到引力子;长期以来，人们甚至认为发现一只鹦鹉的想法也是不可能的。

然而，这可能已经改变了。

Pikovski 的团队提出了一种解决方案，该解决方案涉及耦合现有的物理检测技术（称为声学谐振器，基本上是一个沉重的圆柱体），并使其与改进的能量状态检测方法（也称为量子传感）相匹配。

“我们的解决方案类似于导致爱因斯坦提出光量子理论的光电效应，”Pikovski 解释说，“只是引力波取代了电磁波。关键是能量在材料和波之间仅以离散的步骤进行交换——单个引力子被吸收和发射。

但是如何检测它们呢？

“我们需要冷却材料，然后一步监测能量如何变化，这可以通过量子传感来实现，”斯德哥尔摩北欧理论物理研究所的博士后研究员 Manikandan 说。

“通过观察材料中的这些量子跃迁，我们可以推断出引力子被吸收了，”现在是斯德哥尔摩大学研究生的 Tobar 补充道。“我们称之为'引力-声子效应'。”

该团队提议的创新之一是使用 LIGO 的可用数据，LIGO 是一个由两个设施组成的美国天文台，最近证实了引力波的存在。

“LIGO 天文台非常擅长探测引力波，但它们无法捕捉单个引力子，”史蒂文斯博士生 Beitel 指出。“但我们可以使用他们的数据与我们提议的探测器进行交叉关联，以分离单个引力子。”

Pikovski 的团队是如何设计这个巧妙的实验的？大量的数学和创造力，以及最近技术进步的一些巨大帮助。

“多年来，许多物理学家都在思考这个问题，但答案总是一样的：这是不可能的，”Pikovski 说。无法想象超越几个原子的量子实验，而且它们几乎不与引力子相互作用。

但现在游戏规则发生了变化：科学家们最近开始在宏观物体中创建和观察量子效应。Pikovski 意识到这些宏观量子物体非常适合观察单个引力子特征：它们与引力的相互作用要强得多，我们可以检测这些物体如何以离散的步骤吸收和发射能量。

该团队开始考虑可能的实验。他们使用以前在地球上测量过的引力波数据，例如 2017 年从两颗曼哈顿大小（但超密集）的遥远中子星碰撞中到达的引力波，计算出了可以优化单个引力子吸收概率的参数。

“事实证明，这种测量是可以完成的，”Manikandan 说，“例如，通过使用类似于韦伯杆的设备。

韦伯棒材是厚而重（重达一吨）的圆柱形棒材，以其发明者、新泽西本地人约瑟夫·韦伯 （Joseph Weber） 的名字命名。随着基于光学的检测技术的激增，这些条形最近已经被废弃，但它们实际上对于物理学家的引力子狩猎探险来说效果很好。

那是因为它们可以吸收和发射引力子——这与爱因斯坦创造的光子的“受激发射和吸收”直接相似，光子是光的最小组成部分。

新设计的量子探测器将被冷却到其最低能量，然后通过引力波使其振动非常轻微。然后，超灵敏的能量传感器理论上可以捕捉到这些振动是如何以离散步骤变化的。每个离散变化（也称为量子跃迁）都表示单个引力子事件。

当然，捕捉引力子有一个问题。必要的传感技术尚不完全存在。

“最近在材料中观察到量子跃迁，但尚未达到我们需要的质量，”Tobar 指出。“但技术进步非常迅速，我们对如何让它变得更容易有更多的想法。”

“我们确信这个实验会奏效，”Thomas 兴奋地说。“既然我们知道可以检测到引力子，那么进一步开发适当的量子传感技术就有了额外的动力。运气好的话，很快就能捕获单个引力子了。

但是，尽管新的量子技术至关重要，但这一结果的灵感来自其他地方。“我们知道量子引力仍未解决，要测试它的全部光芒太难了，”Pikovski 说，“但我们现在可以迈出第一步，就像一百多年前科学家对光量子所做的那样。

更多信息：Germain Tobar 等人，用量子传感检测单引力子，Nature Communications （2024）。DOI： 10.1038/s41467-024-51420-8

期刊信息： Nature Communications