Японские исследователи предложили новый метод проверки квантовой природы гравитации с помощью зеркал

Исследователи под руководством профессора Казухиро Ямамото, работающего на факультете естественных наук и в Институте исследований квантового пространства-времени Университета Кюсю, предложили новый метод, который может сделать возможной экспериментальную проверку квантовой природы гравитации. Учёные разработали способ усиления квантовой суперпозиции положения зеркала в системах, где два зеркала взаимодействуют исключительно посредством гравитации, что позволяет значительно облегчить обнаружение сигнала гравитационно-индуцированной запутанности. Их работа, опубликованная в журнале Physical Review Research 13 апреля 2026 года, представляет собой важнейший шаг на пути к экспериментальной проверке того, является ли гравитация фундаментально квантовым явлением.

В квантовой физике частицы могут существовать одновременно в нескольких состояниях — это феномен, известный как квантовая суперпозиция, при котором частица не имеет единственного определённого значения положения или импульса до момента измерения. Главный открытый вопрос заключается в том, подчиняется ли гравитация, одна из фундаментальных сил, тем же квантовым правилам. Один из способов исследовать это — изучить гравитационно-индуцированную запутанность, при которой два объекта, взаимодействующие только через гравитацию, становятся квантово-механически связанными. Гравитационно-индуцированная запутанность предполагает, что если гравитация следует законам квантовой механики, то два объекта, взаимодействующие исключительно через гравитацию, должны становиться запутанными. Это является естественным предсказанием квантовой природы гравитации. Однако обнаружение этого эффекта крайне сложно, поскольку гравитация очень слаба на малых масштабах.

Один из способов сделать такие эффекты наблюдаемыми — тщательно контролировать относительно крупные объекты, чтобы они находились в квантовом режиме. Это достигается путём охлаждения крупных объектов до состояния, близкого к их низшему энергетическому уровню, называемому квантовым основным состоянием, не только с помощью криогенного охлаждения, но и благодаря технике оптимальной фильтрации. В этом состоянии случайное тепловое движение сведено к минимуму, и квантовое поведение становится легче обнаружить. Положение и импульс объекта затем подчиняются принципу неопределённости Гейзенберга, который гласит, что ни одно из этих свойств нельзя знать с абсолютной точностью.

Используя этот подход, исследовательская группа, включающая Рётаро Фукудзуми, Косэя Хаттакэяму, Дайсукэ Мики и их коллег из Университета Кюсю в Японии и Калифорнийского технологического института в США, предложила метод усиления гравитационно-индуцированной запутанности путём создания состояния со сжатым импульсом в подвижных зеркалах. В квантовой механике сжатие уменьшает неопределённость в одном свойстве, например в импульсе, одновременно увеличивая неопределённость в другом, например в положении. В описанном в исследовании состоянии со сжатым импульсом импульс зеркала становится очень точным, в то время как его положение становится более размытым. В результате зеркало существует в квантовой суперпозиции в большей области пространства. Профессор Ямамото поясняет, что использование этого состояния со сжатым импульсом значительно расширяет квантовую суперпозицию положения зеркала, тем самым сильно усиливая сигнал квантовой запутанности, порождаемой гравитацией. Это представляет собой новую стратегию, которая будет полезна для будущих экспериментов по проверке квантовой природы гравитации.

Исследователи достигли этого состояния в оптомеханической резонаторной системе — установке, в которой движением зеркала можно управлять с высокой точностью с помощью лазерного света, захваченного в оптический резонатор. Непрерывно измеряя выходящий свет и тщательно обрабатывая сигнал для уменьшения теплового шума (или с помощью оптической квантовой фильтрации), учёные показали, что состояние со сжатым импульсом может возникать при подходящих условиях. Размещение двух таких зеркал близко друг к другу может привести к более сильным сигналам запутанности благодаря их гравитационному взаимодействию. Когда импульс становится более точным, положение зеркала становится менее определённым и распределяется по большей площади. Это более широкое распределение усиливает измеряемый признак квантовых эффектов гравитации, делая запутанность более лёгкой для обнаружения.

Исследователи отмечают, что, хотя эта работа всё ещё носит теоретический характер, условия, необходимые для создания самого состояния со сжатым импульсом, уже достижимы с помощью современных технологией. Профессор Ямамото добавляет, что, как полагают, возможность генерации и обнаружения гравитационно-индуцированной запутанности будет дополнительно повышена за счёт использования сред с низким уровнем шума, таких как условия экстремально низких температур и высокого вакуума или открытый космос. Если будущие эксперименты смогут обнаружить гравитационно-индуцированную запутанность с использованием этого подхода, это станет прямым доказательством того, что гравитация подчиняется законам квантовой механики. Таким образом, данное исследование может проложить путь к ответу на давний вопрос физики о том, как гравитация вписывается в квантовый мир.