科学家们提出了一项开创性的实验，利用量子计算机和原子钟来测试重力是否会改变量子理论的基本规则。

近期，发表在《PRX Quantum》杂志上的一项研究揭示了配备光学时钟的量子计算机网络如何用于研究重力对量子系统的影响。

研究人员发现，将三台量子计算机放置在不同高度（即使高度差仅1公里），地球的弯曲引力场就可对其共享的量子态产生可测量的影响。他们的研究概述了这种设置如何能够提供首个直接证据，证明传统量子理论可能需要纳入广义相对论的原理来进行修正。

“有大量理论工作表明，我们目前所接受的量子理论需要修正，以解释广义相对论，我们设计了一个实验来探索这一理论与传统量子理论的一个偏差，”伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（University of Illinois Urbana-Champaign）格雷厄姆工程学院（The Grainger College of Engineering）物理学教授、本研究的主要作者雅各布·科维（Jacob Covey）说，“我们实验的优势在于，它依赖于已经证明或即将证明的量子信息协议，因此原则上相对容易实施。”

两位作者的研究成果被选登在美国物理学会杂志《物理》上，并且成为一篇观点文章的报道对象。

引力时间膨胀与量子力学相遇

广义相对论（现代引力理论，假定质量的存在会使时空弯曲）的效应有望通过引力时间膨胀现象在量子系统中显现出来。在引力场中，不同位置的时钟“滴答”的频率不同。虽然该效应在黑洞和中子星等超密集天体附近较为明显，但在地球上则相当微妙，因为地球上的引力相对较弱。

科维说：“有必要利用光学原子钟的超高精度量子测量技术，首先探索地球附近的时间膨胀现象。然而，还没有任何实验直接观察到时空曲率对量子力学本身的影响。”

以往的理论工作表明，时空弯曲改变了公认量子理论中的一个基本信条——玻恩规则。玻恩规则是基于量子理论线性特性的一个原理，它使得量子理论的抽象数学可以转化为实验预测。然而，观察这一规则的改变是一项棘手的任务，因为只有在具有一定程度内在非线性的量子系统中，这种改变才会出现。

科维（Covey）说：“玻恩（Born）定则的预测之一，就是多个量子源如何相互结合和相互干涉。‘玻恩定则’指出，在包含三个量子源的集合中，只需要成对干涉（即1和2，1和3，2和3）就可以描述整个系统。如果重力改变了这一规则，那么就会出现一个三项（即1、2和3）同时干涉的项。要测试这种情形，必然需要一个包含三个量子源的系统，且这三个量子源的非线性程度要足够高，才能提供一个可分辨的可观测对象。而这反过来又需要人类制造出的最精确的传感器、光学原子钟以及千米级的高度差。因此，我们需要一个由光学原子处理器时钟构成的三节点量子网络。”

W态与量子隐形传态作为实验工具

本研究的作者设计了一项实验来检验这一预测，他们使用了所谓的“W态”——这是量子计算和通信中许多协议不可或缺的三个部分的量子系统。目前的量子技术有能力利用量子隐形传态操作，在物理上分开的计算机上创建W态。研究人员利用这一事实证明，引力时间膨胀将导致W态组件呈现出特定的干涉图样，从而清楚地表明实验数据中违反玻恩法则的情况。

据科维（Covey）所言，运用分布式量子计算技术来实施这一新协议是可行的。在分布式量子计算技术中，量子“节点”通过特殊的量子网络相互连接。伊利诺伊州正在参与由能源部量子中心Q-NEXT组织的网络建设，该网络将芝加哥大学和阿贡国家实验室连接起来。之后或许还会增加费米实验室（Fermilab）（已在此进行落塔原子钟实验）和芝加哥大都会区的其他地点，利用费米实验室的地下实验室（与高楼相结合，高度差近1千米）和芝加哥的高楼大厦来实现这一目标。

参考文献：《利用分布式原子处理器时钟探测弯曲时空》，作者：雅各布·P·科维、伊戈尔·皮科夫斯基和约翰内斯·博雷加德，发表于2025年7月21日，《PRX Quantum》。数字对象唯一标识符：10.1103/q188-b1cr

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