史蒂文斯学院由伊戈尔·皮科夫斯基教授领导的团队最近提出了一种检测单个引力子的方法，据信引力子是引力的量子组成部分。他们表示，随着量子技术的进步，这项实验可能在不久的将来成为现实。

斯德哥尔摩大学物理教授伊戈尔·皮科夫斯基也是史蒂文斯理工学院的教授，他说：“这是一项长期以来被认为不可能实现的基础实验，但我们认为我们已经找到了实现它的方法。”

皮科夫斯基领导了一支由一年级研究生杰曼·托巴尔、托马斯·贝特尔和博士后研究员斯里纳特·马尼坎丹组成的研究团队。他们关于“用量子传感探测单个引力子”的研究成果本周在《自然通讯》上发表。

构成宇宙结构的难以捉摸的粒子

万有引力定律是自然界中的基本法则。物体会下落，行星会相互绕转。一百多年前，爱因斯坦通过解释万有引力是时空的变化，彻底改变了我们对万有引力的理解。现在，许多之前无法想象的万有引力效应都已被证实：时间膨胀、引力波或黑洞。

但重力还有一些特别之处：迄今为止，我们只看到它的“经典”版本，而所有其他力都通过量子理论来解释。物理学界的圣杯之一，长期以来就是将重力与量子力学联系起来，但这个问题仍未解决。在任何关于重力的量子理论中，我们都期待某些不可分割的单个粒子出现。

物理学家将这些难以捉摸的粒子命名为引力子——可以将它们视为引力的基本单位，正如原子是物质的基本单位一样。从理论上讲，像黑洞碰撞这样巨大的宇宙事件经常产生的、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证实这种引力波的存在。然而，历史上从未探测到引力子；甚至长期以来，人们一直认为探测引力子是不可能的。

然而，这种情况可能刚刚发生了改变。

皮科夫斯基的团队提出了一种解决方案，该方案涉及将现有的物理检测技术（称为声谐振器，基本上是一个重型圆柱体）与改进的能量状态检测方法（也称为量子传感）相结合。

“我们的解决方案类似于光电效应，该效应引导爱因斯坦提出了光的量子理论，”皮科夫斯基解释说，“只是将电磁波替换为引力波。关键在于，物质和波之间的能量交换只以离散的步骤进行——即单独地吸收和发射引力子。”

但是如何检测它们呢？

斯德哥尔摩北欧理论物理研究所的博士后研究员马尼坎丹表示：“我们需要对材料进行冷却，然后监测能量在单个步骤中的变化，这可以通过量子传感来实现。”

斯德哥尔摩大学（Stockholm University）研究生托巴尔（Tobar）补充道：“通过观察材料中的这些量子跃迁，我们可以推断出一个引力子被吸收了。我们称之为‘引力声子效应’。”

该团队提出的创新之一是使用LIGO的可用数据，这是一个拥有两个设施的美国天文台，最近证实了引力波的存在。

史蒂文斯学院博士生贝特尔指出：“LIGO天文台非常擅长探测引力波，但它们无法捕捉到单个引力子。但我们可以利用它们的数据与我们提出的探测器进行交叉关联，以隔离单个引力子。”

宇宙碰撞，重型气缸，量子传感器

皮科夫斯基的团队是如何设计这个巧妙的实验的呢？需要很多数学知识和创造力，以及近期技术进步的大力支持。

皮科夫斯基说：“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。很难想象量子实验能够超越几个原子，并且它们几乎与引力子没有相互作用。”

但现在游戏规则变了：科学家最近开始创造并观察宏观物体中的量子效应。皮科夫斯基意识到，这些宏观量子物体非常适合观察单个引力子的特征：它们与引力的相互作用更强，我们可以探测到这些物体如何以离散的步骤吸收和发射能量。

团队开始思考一个可能的实验。他们利用之前在地球上测量到的引力波数据，如2017年到达地球的、由两个曼哈顿大小（但超密集）的遥远中子星碰撞产生的引力波，计算出了能优化单个引力子吸收概率的参数。

“事实证明，这一测量是可以实现的，”马尼坎丹说，“例如，使用类似于韦伯棒的装置。”

韦伯棒是厚重（重达一吨）的圆柱形棒，以其发明者、新泽西州本地人约瑟夫·韦伯的名字命名。由于基于光学的检测技术已经普及，韦伯棒最近已逐渐不再使用，但它们实际上对物理学家的引力子探测之旅很有帮助。

这是因为它们可以吸收和发射引力子——这与爱因斯坦所说的“受激辐射和吸收”光子（光的最小组成单元）直接类似。

一个新设计的量子探测器将被冷却到其最低能量，然后被一个引力波通过时产生的极微振动所触发。超敏感的能量传感器理论上可以捕捉到这些振动如何以离散的步骤变化。每一个离散的变化（也被称为量子跃迁）都将表明一个引力子事件的发生。

当然，捕捉引力子也有其难点。必要的传感技术尚不存在。

“最近在材料中已观察到量子跃迁，但尚未达到我们所需的程度，”托巴尔指出。“但技术进步非常快，我们有了更多关于如何使其变得更容易的想法。”

“我们确信这个实验会成功，”托马斯兴奋地表示。“既然我们已经知道引力子可以被探测到，那么这进一步激励我们继续开发适当的量子传感技术。如果有幸的话，我们很快就能捕获到单个引力子了。”

虽然新的量子技术至关重要，但该结果的灵感却来自其他地方。“我们知道量子引力仍未解决，而且很难全面测试其荣耀，”皮科夫斯基说，“但我们现在可以迈出第一步，就像一百多年前科学家们利用光量子那样。”

参考：格曼·托巴尔、斯里纳特·K·马尼坎丹、托马斯·贝特尔和伊戈尔·皮科夫斯基的《使用量子传感探测单个引力子》，发表于《自然通讯》，2024年8月22日。DOI：10.1038/s41467-024-51420-8