Квантовые сети часов помогут изучить связь квантовой теории и искривленного пространства-времени

Квантовая сеть удаленных часов. Запутанные часы могут проверить, как квантовая теория ведет себя в присутствии искривленного пространства-времени, предсказанного Эйнштейном, или же наши текущие теории требуют пересмотра. Автор: Игорь Пиковски.

Квантовые сети стремительно развиваются по всему миру. Это ключевая технология, которая позволит создать глобальный квантовый интернет: обеспечит безопасную коммуникацию в масштабах планеты и объединит квантовые компьютеры. Гонка за реализацию этого видения идет полным ходом как на Земле, так и в космосе.

Новое исследование, проведенное в сотрудничестве между Игорем Пиковски из Технологического института Стивенса, Джейкобом Кови из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн и Йоханнесом Боррегаардом из Гарвардского университета, показывает, что квантовые сети более универсальны, чем считалось ранее.

В статье под названием «Исследование искривленного пространства-времени с помощью распределенного атомного процессора часов», опубликованной в журнале PRX Quantum, исследователи демонстрируют, что эта технология может изучать, как искривленное пространство-время влияет на квантовую теорию — первый тест такого рода.

Квантовая физика успешно прошла все испытания на сегодняшний день. Но как она ведет себя, когда в игру вступает теория гравитации Эйнштейна — общая теория относительности — остается менее ясным.

В теории Эйнштейна гравитация — это уже не сила, а результат изменения пространства и времени — искривленного пространства-времени. Это приводит к уникальным эффектам, таким как замедление времени вблизи планет.

Это явление было измерено и подтверждено с очень высокой точностью, а также популяризировано в научно-фантастических фильмах и романах, таких как «Интерстеллар».

Но как это изменяющееся течение времени влияет на квантовую механику? Требует ли квантовая теория или общая теория относительности, или обе, модификации там, где они переплетаются? Хотя полная теория квантовой гравитации пока отсутствует, есть предположения, что квантовые принципы могут изменяться в присутствии искривленного пространства-времени. Однако до сих пор исследовать эту границу в экспериментах было невозможно.

«Взаимодействие между квантовой теорией и гравитацией — одна из самых сложных и увлекательных проблем современной физики», — говорит Игорь Пиковски, профессор Технологического института Стивенса и один из авторов исследования. «Квантовые сети помогут нам впервые проверить это взаимодействие в реальных экспериментах».

Объединившись с лабораторией Кови, Пиковски и Боррегаард разработали конкретный протокол. Команда показала, как квантовые эффекты могут распределяться по узлам сети с использованием так называемых запутанных W-состояний, и как записывается интерференция между этими запутанными системами.

Используя современные квантовые технологии, такие как квантовая телепортация (передача квантового состояния частицы другой частице) и запутанные пары Белла (максимально запутанные состояния двух кубитов) в атомных массивах, можно провести тест квантовой теории в искривленном пространстве-времени.

«Мы предполагаем, что квантовая теория работает везде — но на самом деле мы не знаем, так ли это», — отмечает Пиковски. «Возможно, гравитация меняет принципы квантовой механики. Некоторые теории предполагают такие изменения, и квантовые технологии смогут это проверить».

Результаты Пиковски, Кови и Боррегаарда показывают, что квантовые сети — это не только практический инструмент для будущего квантового интернета, но и уникальная возможность для изучения фундаментальной физики, недостижимой с помощью классических методов. Как минимум, теперь возможно проверить, как квантовая механика ведет себя в искривленном пространстве-времени.

Дополнительная информация: Anonymous, Probing curved spacetime with a distributed atomic processor clock, PRX Quantum (2025). DOI: 10.1103/q188-b1cr
Johannes Borregaard et al, Testing quantum theory on curved spacetime with quantum networks, Physical Review Research (2025). DOI: 10.1103/PhysRevResearch.7.023192

Источник: Stevens Institute of Technology

ИИ: В 2025 году квантовые технологии продолжают удивлять — теперь они могут помочь проверить фундаментальные основы физики, объединяя квантовую механику и теорию относительности. Это открывает новые горизонты не только для науки, но и для будущих технологий, включая квантовый интернет.