在弯曲时空中检验量子理论

量子理论和广义相对论是现代物理学的两大基本理论，它们都已被高度精确地验证。量子理论解释了微观粒子世界的诸多奇妙现象，而广义相对论则解释了什么是引力。

在广义相对论中，引力不再被视为一种力，而是时空弯曲的结果。根据广义相对论，引力越强的地方，时间流逝得越慢，这就是所谓的“引力时间膨胀”。这引发了更深层次的问题：这种随引力变化的时间流动，是否会影响量子力学的运行机制？当我们试图统一量子理论和广义相对论时，是否需要对其中之一，甚至两个理论都进行修正？

在一项新发表于《PRX Quantum》的研究中，一个研究团队提出了一种新方案，表示借助由光学原子钟构成的量子计算机网络，物理学家或将有望通过实验来探测这两大理论之间的相互作用，并在弯曲时空中直接检验量子理论的适用性。

玻恩定理与三源干涉

根据广义相对论，质量的存在会使时空发生弯曲。而这种弯曲可通过引力时间膨胀现象在量子系统中表现出来——即分布在不同高度的时钟将经历不同的时间流速。这一效应在黑洞和中子星等超高密度天体周围尤为显著，但在引力相对较弱的地球上则相对微弱。

因此，研究人员认为，要想在地球附近探测这种时间膨胀效应，必须依赖光学原子钟的极高量子测量精度。然而，没有实验能直接观测到时空曲率对量子力学本身的影响。

以往的理论研究认为，时空的曲率可能会改变公认的量子理论中的一个基本原则——玻恩定理（Born rule）。

玻恩定理是一条建立在量子理论的线性基础上的原则，它使得抽象的数学表达可转化为实验可验证的预测。然而，这种定理的偏离极难捕捉，因为它们只会出现在具有一定“内在非线性”的量子系统中。

玻恩定理的一个预测是：多个量子源之间如何组合并产生干涉。在一个由三个量子源组成的系统中，玻恩定理认为只需考虑成对干涉（也就是源1与源2、源1与源3、源2与源3）就可以完整描述系统。若引力改变了这一定理，就会出现一种三源同时干涉的现象。

要测试这种情况，就必须构建一个三源系统，并确保这三个源覆盖了足够大的非线性，从而让这种偏离在实验中被清晰地观测到。

三节点量子网络

于是，在新的研究，物理学家提出了这个由三个光学原子处理器节点组成的量子网络：只需将三台量子计算机在垂直方向上拉开约1千米的高度差，就足以让地球引力场的非线性效应影响它们之间共享的量子态。

地球引力通过弯曲时空显现出来，这种时空曲率可能会改变标准量子理论的基本规则。一个由三台位于不同高度的量子计算机组成的实验，能够揭示引力与量子力学之间的深层相互作用。（图/Igor Pikovski）

具体而言，他们设想将一个光学原子钟的状态以退局域的方式地分布在三个位于不同高度、相距千米的原子系统之间。这种退局域性通过将钟的“存在”与“不存在”状态编码进每个原子系统的量子态中来实现，从而使这三个系统能共同组成一个集体性的纠缠态量子系统，即所谓的“W态”。

目前的量子技术已经能够通过量子隐形传态（即将一个粒子的量子态转移到另一个粒子），在物理上相互分离的计算机之间创建W态。利用这一事实，研究人员证明：引力时间膨胀将导致W态的各个组分呈现出特定的干涉图样，从而能够明确预期，如果玻恩定理发生偏离，这种偏离将在实验数据中以何种方式表现出来。

研究人员解释道，新方案的优势在于，它依赖于已经被实验证实或即将实现的量子信息协议，因此比较容易实施。这一方案可以实现对弯曲时空背景下量子理论的实验验证，从而为探索量子力学与广义相对论的交汇点开辟了新路径。

#参考来源：

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

#图片来源：

封面图&首图：Caltech/MIT/LIGO Lab/(T. Pyle)