Recherche sur la gravité quantique et l’intrication avec des pendules


Recherche sur la gravité quantique - pour qui le pendule oscille

Dans un interféromètre atomique, la fonction d’onde de l’atome est divisée en un gauche et un bras droit. Les bras gauche et droit sont ensuite recombinés, créant un motif d’interférence. Crédit photo : S. Kelley / NIST

En ce qui concerne le lien avec la théorie quantique, la gravité est le seul résidu parmi les quatre forces fondamentales de la nature. Les trois autres – la force électromagnétique, la force faible responsable de la désintégration radioactive et la force forte qui lie les neutrons et les protons ensemble au sein du noyau atomique – sont toutes fusionnées avec la théorie quantique pour réussir à rendre l’univers de petite taille décrivent des échelles dans lesquelles le les lois de la mécanique quantique doivent jouer un rôle de premier plan.

Bien que la théorie de la relativité générale d’Einstein, qui décrit la gravité comme la courbure de l’-temps, explique une variété de phénomènes gravitationnels, elle échoue dans le plus petit des volumes – le centre d’un trou noir ou l’univers à sa naissance explosive quand il était plus petit qu’un diamètre atomique. La mécanique quantique devrait dominer ici.

Mais au cours des huit dernières décennies, experts après experts, y compris Einstein, n’avaient pas réussi à unir la théorie quantique à la gravité. Alors, la gravité est-elle vraiment une force quantique ?

Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) et leurs collègues ont maintenant proposé une expérience qui pourrait aider à clarifier la question.

L’expérience tire parti de deux des propriétés les plus étranges de la théorie quantique. L’un d’eux est le principe de superposition, qui dit qu’une particule atomique non perturbée peut être décrite comme une onde, avec une certaine probabilité qu’elle se trouve à deux endroits en même temps. Par exemple, un atome non perturbé traversant une région avec deux fentes ne passera pas l’une ou l’autre des fentes, mais les deux.

Et parce que l’atome est décrit par une onde, la partie qui traverse un espace interfère avec la partie qui traverse l’autre, créant un motif familier de stries claires et sombres. Les bandes claires correspondent aux régions où les collines et les vallées des deux vagues sont orientées de sorte qu’elles s’additionnent, créant des interférences constructives, et les régions sombres correspondent aux régions où les collines et les vallées des vagues s’annulent, créant des interférences destructrices. .

Recherche sur la gravité quantique - pour qui le pendule oscille

Au début de l’expérience, la fonction d’onde de l’atome n’est pas influencée par le pendule. Cela signifie que les deux bras de l’atome unique interfèrent complètement l’un avec l’autre. Crédit photo : S. Kelley / NIST

La deuxième propriété quantique étrange est connue sous le nom d’intrication, un phénomène dans lequel deux particules peuvent devenir si fortement corrélées qu’elles se comportent comme une seule. Mesurer une propriété de l’une des particules force automatiquement l’autre à avoir une propriété complémentaire, même si les deux particules sont distantes dans les galaxies.

Dans une théorie quantique de la gravité, l’attraction entre deux objets massifs serait transmise par une hypothétique particule subatomique appelée le graviton, tout comme l’interaction électromagnétique entre deux particules chargées est communiquée par un photon (la particule fondamentale de la lumière). . Donc, si un graviton existe vraiment, il devrait être capable de connecter ou d’entremêler les propriétés de deux corps massifs, tout comme un photon peut intricer les propriétés de deux particules chargées.

L’expérience proposée par Jake Taylor du Joint Quantum Institute of NIST à l’Université du Maryland, avec Daniel Carney, maintenant au Lawrence Berkeley National Laboratory, et Holger Müller de l’Université de Californie à Berkeley, offre un moyen astucieux de tester si deux des corps massifs peuvent en fait être enchevêtrés par gravité. Ils ont décrit leur travail dans un article publié en ligne dans Physical Review X Quantum le 18 août 2021.

L’expérience utiliserait un nuage froid d’atomes piégés dans un interféromètre atomique. L’interféromètre a deux bras – un gauche et un droit. Si chaque atome du nuage est dans un état quantique pur et non perturbé, il peut être décrit selon le principe de superposition comme une onde qui occupe les deux bras en même temps. Lorsque les deux parties de l’onde, une de chaque bras, se recombinent, elles créent un motif d’interférence qui révèle tout changement dans leurs trajectoires dû à des forces telles que la gravité.

Un peu à l’extérieur de l’interféromètre, une petite initialement stationnaire est suspendue comme un pendule. La masse flottante et l’atome sont attirés gravitationnellement. Si ce remorqueur gravitationnel crée également un enchevêtrement, à quoi cela ressemblerait-il ?

Recherche sur la gravité quantique - pour qui le pendule oscille

Si l’attraction gravitationnelle enchevêtre réellement le pendule et l’atome, le pendule mesure partiellement la position de l’atome et le focalise sur un bras ou sur l’autre. Crédit photo : S. Kelley / NIST

La masse flottante est corrélée à un spécifique pour l’atome – soit le bras droit de l’interféromètre, soit le bras gauche. Cela fait basculer la masse vers la gauche ou la droite. Si l’atome est à gauche, le pendule commence à osciller vers la gauche ; si l’atome est à droite, le pendule commence à osciller vers la droite. La gravité a enchevêtré la position de l’atome dans l’interféromètre avec la direction dans laquelle le pendule commence à osciller.

L’intrication positionnelle signifie que le pendule peut mesurer efficacement la position de l’atome et le localiser à un point spécifique dans l’interféromètre. L’atome n’étant plus en superposition dans les deux bras en même temps, la d’interférence disparaît ou diminue.

Une demi-période plus tard, lorsque la masse oscillante revient à son point de départ, elle perd toute « mémoire » de l’enchevêtrement gravitationnel qu’elle a créé. Parce que quelle que soit la direction prise par le pendule – en se balançant initialement vers la droite, ce qui sélectionne une position pour l’atome dans le bras droit de l’interféromètre, ou en se balançant initialement vers la gauche, ce qui sélectionne une position pour l’atome dans le bras gauche – il revient à la même position de départ, un peu comme un enfant sur une balançoire.

Et lorsqu’il revient à la position de départ, il est tout aussi probable que le pendule sélectionne un emplacement pour l’atome dans le bras gauche ou droit. A ce moment, l’intrication entre la masse et l’atome est rompue et le schéma d’interférence atomique réapparaît.

Une demi-période plus tard, lorsque le pendule oscille d’un côté ou de l’autre, l’intrication est rétablie et la figure d’interférence est à nouveau réduite. Lorsque le pendule oscille d’avant en arrière, le motif se répète – interférence, interférence diminuée, interférence. Cette rupture et cette reprise des interférences, disent les scientifiques, seraient une « arme fumante » pour l’enchevêtrement.

« Il est difficile pour un phénomène autre que l’enchevêtrement gravitationnel de créer un tel cycle », a déclaré Carney.

Recherche sur la gravité quantique - pour qui le pendule oscille

Après chaque demi-période d’oscillation, le pendule revient à son point de départ, perd tous les souvenirs de l’enchevêtrement gravitationnel qu’il a créé et restaure la pleine interférence. Crédit photo : S. Kelley / NIST

Bien que l’expérience idéale soit encore à une décennie ou plus de la construction, une version préliminaire pourrait être prête dans quelques années seulement. Une variété d’abréviations pourrait être exploitée pour faciliter l’observation, a déclaré Taylor. Le plus grand raccourci est l’hypothèse, similaire à la théorie de la relativité générale d’Einstein, que peu importe quand vous commencez l’expérience – vous devriez toujours obtenir le même résultat.

Taylor a noté que les sources non gravitationnelles d’intrication quantique doivent être prises en compte, ce qui nécessite une conception et des mesures minutieuses pour les exclure.


Un interféromètre à puce atomique qui pourrait détecter la gravité quantique


Plus d’information:
Daniel Carney et al., Utilisation d’un interféromètre atomique pour déduire la génération d’intrications gravitationnelles, PRX quantique (2021). DOI : 10.1103 / PRXQuantum.2.030330

Fourni par l’Institut national des normes et de la technologie

Citation: Recherche sur la gravité quantique et l’intrication avec des pendules (2021, 7 septembre), consulté le 7 septembre 2021 sur https://phys.org/news/2021-09-exploring-quantum-gravity-entanglement-pendulums.html

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