科学家们证明，时钟的量子网络为探索量子力学与弯曲时空之间的相互作用提供了一种新方法。

量子网络正在全球范围内迅速发展。作为量子科学这一新兴领域的基础技术，量子网络有望构建出全球性的量子互联网。该系统将实现大规模的安全通信，并使得远程连接量子计算机成为可能。目前，无论是在地面还是在轨道上，将这一愿景变为现实的工作都已紧锣密鼓地展开。

在最近的一项突破中，研究人员发现量子网络可能具备安全通信以外的功能。由史蒂文斯理工学院伊戈尔·皮科夫斯基领导，联合伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的雅各布·科维和哈佛大学的约翰内斯·博雷加德进行的一项合作研究，开辟了一种新的科学可能性。他们的研究成果发表于《PRX Quantum》期刊，揭示了量子网络可用于研究时空曲率如何影响量子力学。这是此类研究的首次实验方法。

虽然量子力学已经一再经受住了实验的检验，但它在重力作用下的表现仍然无法确定。爱因斯坦的广义相对论将重力重新定义为一种结果，而非一种力，它是由于时空弯曲而产生的——这一概念被称为“弯曲时空”。这种弯曲会产生一些不同寻常的效应，比如在行星等质量巨大的物体附近，时间会减慢。这些效应已经得到了精确的证实，并且也通过包括《星际穿越》在内的科幻故事融入了主流文化。

但这种不断变化的时间流是如何影响量子力学的呢？在量子理论和广义相对论相互交织的部分，是否需要对它们中的某一个或两者都做出修正？尽管目前仍缺少完备的量子引力理论，但有观点认为，在弯曲的时空中，量子原理可能会发生变化。然而，迄今为止，在实验中探索这一前沿领域是不可能的。

利用量子网络的新方法

在之前发表于《物理评论研究》（Physical Review Research）的一项研究中，皮科夫斯基（Pikovski）和博雷加德（Borregaard）已经证明，现在利用量子网络探索这些问题的时机已经成熟。他们证明了量子理论和引力的两个独特但截然不同的特征是如何同时发挥作用的。

在量子理论中，物质可以处于叠加态：物质不仅可以存在于特定、确定的状态，还可以同时以这些状态的混合体存在。量子计算利用这一事实构建了量子比特——0和1的比特的叠加态。然后，量子网络可以在长距离上传输这些量子比特。但在地球附近，这些量子比特也会受到弯曲时空的影响，因为时间本身的流逝会发生变化。研究人员表明，量子网络中的原子钟叠加态会捕捉到叠加态中不同的时间流逝，这为探究量子理论与弯曲时空如何交织打开了大门。

“量子理论与引力之间的相互作用是当今物理学中最具挑战性的问题之一，但也极具吸引力，”史蒂文斯理工学院杰弗里·S·因曼初级教授伊戈尔·皮科夫斯基（也是本文的作者之一）说道，“量子网络将帮助我们首次在实际实验中检验这种相互作用。”

随后，皮科夫斯基和博雷加德与科维的实验室合作，开发了一项具体协议。该团队展示了如何使用所谓的纠缠W态在网络节点间分配量子效应，以及这些纠缠系统间的干涉如何被记录。通过利用现代量子技术，例如原子阵列中的量子隐形传态（将一个粒子的量子态转移到另一个粒子上）和纠缠贝尔对（两个量子位的最大纠缠态），可在弯曲时空中对量子理论进行测试。

重思量子网络的角色

皮科夫斯基（Pikovski）说：“我们假设量子理论在任何地方都适用，但我们真的不知道这是否正确。也许引力会改变量子力学的运作方式。事实上，一些理论确实提出了这样的修正，而量子技术将能够检验这一点。”

皮科夫斯基、科维和博雷加德的研究结果表明，量子网络不仅是未来量子互联网的有用实用工具，还为研究基础物理学提供了独特的机会，而这些是经典传感技术所无法实现的。至少，现在我们可以测试量子力学在弯曲时空中的表现如何。

参考文献：雅各布·P·科维 (Jacob P. Covey)、伊戈尔·皮科夫斯基 (Igor Pikovski) 和约翰内斯·博雷加德 (Johannes Borregaard) 于 2025 年在《PRX Quantum》上发表的“利用分布式原子处理器时钟探测弯曲时空”。数字对象唯一标识符（DOI）：10.48550/arXiv.2502.12954

《利用量子网络在弯曲时空中测试量子理论》，作者：约翰内斯·博雷加德和伊戈尔·皮科夫斯基，发表于2025年5月27日，载于《物理评论研究》。DOI：10.1103/PhysRevResearch.7.023192

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