Нові горизонти у пошуках квантової гравітації: експеримент GQuEST
- Ігор Сальниченко
- 25 лют.
- Читати 4 хв
У сучасній фізиці одним із найбільших викликів залишається об’єднати квантову механіку та загальну теорію відносності. Така гіпотетична синергія отримала назву квантова гравітація. Чимало науковців припускають, що на надзвичайно малих масштабах простір-час може бути неперервним, а “піксельним”, і що флуктуації в його “тканині” потенційно можна помітити експериментально. У цій статті розглянемо, як нова стратегія, запропонована в експерименті Gravity from the Quantum Entanglement of Space Time (GQuEST), може вивести нас на крок ближче до розкриття таємниць квантової гравітації.
Квантова гравітація: чому простір-час може бути «піксельним»?
Ряд теоретичних робіт вказують, що на надзвичайно малих масштабах м простір-час може втрачати свою неперервність і нагадувати певну “піксельну” структуру. З погляду квантової теорії поля, це означає, що існують флуктуації, які змінюють метрику простору-часу, викликаючи стиснення та розтягнення на мікроскопічному рівні. Хоча побачити один “піксель” на такій масштабі практично неможливо, сукупна дія багатьох пікселів може створити відчутний сигнал, що відкриває шлях для лабораторних експериментів.
Теоретик Каліфорнійського технологічного інституту (Caltech) Катерін Зурек (Kathryn Zurek), роки життя якої припадають на кінець ХХ — початок ХХІ століття, запропонувала так звану “pixellon”-модель [3]. У цій моделі колективні флуктуації простору-часу можуть генерувати модуляції у світловому сигналі, які, за умови достатньої чутливості експерименту, потенційно можна виміряти.
Інноваційний експеримент GQuEST: пошук флуктуацій простору-часу за допомогою фотонів
Експеримент GQuEST (Gravity from the Quantum Entanglement of Space Time) наразі розробляється групою вчених із Caltech, зокрема, під керівництвом Лі МакКаллера (Lee McCuller). За концепцією, GQuEST нагадує класичний інтерферометр Майкельсона: лазерний промінь розділяється на два шляхи, потім знову поєднується, формуючи інтерференційну картину. Утім, на відміну від гравітаційно-хвильових детекторів на кшталт LIGO, які шукають зсув в інтерференційній картині, GQuEST застосовує принципово інший підхід.
Ключова ідея полягає в тому, щоб вимірювати не зміну інтерференційного патерна, а кількість фотонів, що з’являються на певній «бічній» частоті (sideband). Для цього вчені використовуватимуть високочутливі світлочутливі елементи на основі надпровідних нанодротів, здатні реєструвати одиничні фотони. Як зазначено в [4], саме такий фотонно-лічильний підхід може дати змогу виявити надзвичайно слабкі сигнали, пов’язані з квантовими флуктуаціями простору-часу.
Як зафіксувати модуляцію: коли один фотон вирішує все
Під час експерименту лазер працюватиме на основній частоті 200 ТГц, а команда GQuEST шукатиме енергію, яка «просочилася» на 17 МГц нижче або вище відносно основної частоти. Ця “бічна” частота відповідає теоретичному максимуму впливу “pixellon”-флуктуацій за моделлю Зурек.[1],
У традиційних гравітаційно-хвильових інтерферометрах (наприклад, LIGO) світлова потужність у вихідному промені постійно “шумить” через shot noise (коливання фотонів за квантовою статистикою). Тому відокремити слабкий сигнал від фонового шуму в такій системі — надзвичайно важке завдання. Натомість GQuEST має додаткові оптичні фільтри, що “вирізають” усі сусідні частоти, залишаючи лише невелике вікно навколо 17 МГц. Якщо в цьому вікні з’явиться хоч невелика, але стабільна кількість фотонів — це може свідчити про взаємодію зі флуктуаціями квантової гравітації.
За попередніми оцінками, на цій “бічній” частоті може реєструватися приблизно один фотон що 12 хвилин, тобто 10⁻³ Гц. Низька частота реєстрації вимагає надзвичайно чутливих детекторів із мінімальним власним “темновим” шумом. У найкращих сучасних надпровідних сенсорах, за даними [1], помилкове спрацювання становить 10⁻⁵ Гц, що відкриває перспективи реєстрації справжнього “квантово-гравітаційного” сигналу.
Переваги нової схеми та виклики
За словами вченого з Університету Сірак’юс (США) Стефана Балмера (Stefan Ballmer), фотонно-лічильна методика — це “геніальна ідея”, адже вона обходить низку квантових обмежень, властивих класичним вимірюванням з інтерференційною картиною. Водночас дослідники зіштовхнуться з чималими технічними складнощами, щоб забезпечити винятково чисту оптику та ефективне придушення шуму в інтерферометрі.
Інший експерт, Аарон Чоу (Aaron Chou) з Університету Чикаго, наголошує, що низький рівень шуму у високочутливих детекторах відкриває шлях для більш ретельного аналізу інших джерел фонових сигналів. Це не тільки посилить надійність результатів у пошуках квантових флуктуацій простору-часу, а й може бути застосоване для раннього пошуку гравітаційних хвиль від різноманітних космологічних джерел, у тому числі з епохи раннього Всесвіту.
Майбутнє GQuEST: від “демонстрації” до масштабної установки
Наразі команда Caltech будує демонстраційну версію інтерферометра розміром близько 1 м, щоб перевірити основні технології. Якщо результати підтвердять очікування, дослідники планують наступний етап — повномасштабну установку із «плечима» інтерферометра у 7 м. Також обговорюється ідея двох інтерферометрів, розміщених поруч, що дасть змогу відсіяти локальні фонові впливи (наприклад, вібрації чи термічні коливання).
Загалом нова стратегія GQuEST дозволить із більшою чутливістю перевірити теоретичні передбачення квантово-гравітаційних моделей, включно з гіпотезою про “pixellon”-флуктуації. Якщо такий сигнал буде знайдено — це стане важливим кроком до розуміння природи простору-часу, а отже, й до поєднання квантової механіки з гравітацією.
Джерела:
1.S. M. Vermeulen et al., “Photon-counting interferometry to detect geontropic space-time fluctuations with GQuEST,” Phys. Rev. X 15, 011034 (2025).
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269321006031?via%3Dihub [2] E. 2.P. Verlinde and K. M. Zurek, “Observational signatures of quantum gravity in interferometers,” Phys. Lett. B 822, 136663 (2021).https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.15.011034
3. K. M. Zurek, “On vacuum fluctuations in quantum gravity and interferometer arm fluctuations,” Phys. Lett. B 826, 136910 (2022).https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370269322000442?via%3Dihub
4.“New Strategy in the Hunt for Quantum Gravity,” Physics 18, 37 (2025),
Commenti