Влияние гравитации на квантовую запутанность проверят на МКС

Европейское космическое агентство планирует провести на МКС эксперимент по проверке воздействия гравитации на квантовую запутанность. Об этом сообщает научная статья, опубликованная в издании New Journal of Physics большим коллективом авторов.

"Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) подробно рассказывали о том, что такое квантовая запутанность. Вкратце напомним: явление состоит в том, что квантовые системы (например, фотоны) остаются согласованными при отсутствии всякого явного взаимодействия между ними.

Это явление многократно экспериментально проверено. Однако почти нет информации о том, что происходит, когда нельзя пренебречь эффектами общей теории относительности (ОТО).

Напомним, что она общепризнана как лучше всего проверенная теория гравитации, и ОТО представляет тяготение как искривление пространства-времени. В частности, она гласит: если в двух местах (скажем, на поверхности Земли и на орбите) сила притяжения имеет разную величину, то и время в этих двух местах течёт по-разному. А именно, наземные часы идут чуть медленнее орбитальных. Это приходится учитывать при работе с навигационными спутниками GPS и ГЛОНАСС.

Напомним, что объединение ОТО и квантовой механики – Святой Грааль современной теоретической физики. Над этой задачей специалисты бьются уже почти сотню лет. Некоторые разработанные модели действительно помогают устранить противоречия между двумя великими теориями. Самой знаменитой из них является теория струн. Однако у неё, как и у большинства других концепций квантовой гравитации, есть серьёзный недостаток: современная техника и близко не подобралась к возможности их экспериментальной проверки. Правда, есть надежда, что доказательства принесут астрономические наблюдения, но на этом поле за многие десятилетия накоплено лишь несколько неоднозначных результатов.

Нетрудно понять, какой интерес среди учёных вызывают теории, допускающие экспериментальную проверку на нынешнем технологическом уровне. Одну из них в 2009 году опубликовала группа во главе с Тимоти Ральфом (Timothy Ralph) из Университета Квинсленда.

"Мы с невероятной точностью протестировали квантовую механику и общую теорию относительности по отдельности, но они настолько принципиально отличаются друг от друга, что трудно примирить их в теории квантовой гравитации, – говорит соавтор нового исследования Сиддартх Джоши (Siddarth Joshi) из Университета Бристоля. – Эта теория является одной из немногих, которые могут быть проверены с использованием современных технологий".

Возьмём две запутанные частицы, каждая из которых летит по своей траектории. Пусть гравитационное поле существенно меняется вдоль этих траекторий. При определённых условиях, утверждает модель Ральфа, состояние запутанности частично нарушится. Отклонения будут невелики, но вполне достаточны для того, чтобы обнаружить их специально созданными приборами. Расчёты позволяют назвать точную вероятность обнаружить частицы в том или ином состоянии, если известно, в каких полях тяготения они путешествовали.

В новом исследовании подробно описан план эксперимента, проверяющего выводы Ральфа. Проект получил название Space QUEST. Его можно перевести как "космический квест", и в то же время второе слово представляет собой аббревиатуру от сочетания Quantum Entanglement Space Test, то есть "космический тест квантовой запутанности". Подобные игры с языком традиционны для космических миссий.

Предполагается соорудить на Земле станцию, которая будет отправлять в космос пары запутанных фотонов. В качестве параметра, определяющего состояние фотона, будет, как обычно, использоваться поляризация. Установленные на МКС четыре однофотонных детектора будут регистрировать кванты излучения и считывать их состояние.

В настоящее время концепция эксперимента проходит экспертизу в Европейском космическом агентстве (ЕКА). Завершена так называемая фаза 0, то есть доказана осуществимость проекта. Впереди фаза A, где будет оцениваться его стоимость, и фаза B, подразумевающая создание прототипа.

Эксперты ЕКА включились в активное сотрудничество с разработчиками, чтобы ускорить процедуру. Ожидается, что фаза А будет завершена уже к концу 2018 года.

"Я думаю, это показатель того, как возбуждено и заинтересовано в этом предложении сообщество", – говорит Джоши.

Если миссия получит "зелёный свет", эксперимент стартует к началу 2020-х годов.

Напомним, что "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) ранее писали об отправке запутанных фотонов на искусственный спутник Земли.