中國原子能科學研究院 周書華 編譯自Michael Schirber.

Physics

本文選自《物理》2025年第5期

量子引力理論試圖將引力和量子力學結合起來。一項名為“來自時空量子糾纏的引力”(GQuEST)的桌面實驗將使用一種新型干涉儀來搜索此類理論預測的一種物理效應，這種干涉儀可以記錄光子數而不是測量干涉圖案。GQuEST團隊計算了他們設備的靈敏度，并表明它檢測預期信號的速度比傳統干涉儀快100倍。

量子化引力意味著時空不是連續的——當觀測尺度小到10-35 m的尺度時，時空就會變得“像素化”，這個尺度太小了，無法在任何實驗中探測。然而，某些量子引力模型預測，時空可能會波動——時空結構中的一種自發拉伸和擠壓現象，可能產生可觀察的效應。加州理工學院理論家Kathryn Zurek建立了一個名為“像素子(pixellon)”的模型，該模型預測干涉儀內部的集體波動會導致干涉儀輸出光中出現可檢測的頻率變化或調制。

GQuEST的實驗設計類似于經典的邁克爾孫干涉儀，激光束(紅色)射向分束器并被分成兩條路徑，兩端各有一個反射鏡。預期，其中一些光將與量子引力波動相互作用，在輸出光中產生調制信號(粉紅色)。GQuEST團隊計劃用鏡腔過濾光，并記錄以偏移頻率發出的光子(藍色)的數量，而不是在干涉圖樣中尋找這種調制

Zurek和她的同事計劃使用GQuEST測試這一預測，目前加州理工學院正在構建其初步版本。該實驗的基本布局是一個經典的邁克爾孫干涉儀，其中光被分成兩條路徑，然后重新組合以產生干涉圖案。類似激光干涉引力波天文臺(LIGO)這樣的實驗監測干涉圖案變化，從而探測引力波信號。然而，這種測量策略對于檢測pixellon預測的調制并不實用，GQuEST團隊負責人Lee McCuller說：“在LIGO中，由于散粒噪聲，功率不斷上下波動，因此很難分辨pixellon模型所預期的一點點額外的波動。”

為了尋找量子引力信號，McCuller團隊正在開發一種光子計數干涉儀。其想法是在“邊帶”頻率下測量干涉儀的輸出，即從200 THz激光頻率偏移17 MHz。邊帶頻率與調幅(AM)無線電信號相似，對應于載波幅度的調制。干涉儀對噪聲和其他環境影響的響應類似，但在偏移高達17 MHz時產生的邊帶光的數量通常可以忽略不計。然而，激光光子的頻率可能會因與pixellon漲落的相互作用而發生顯著變化。

該團隊選擇這個特定的邊帶頻率來與pixellon波動的預期峰值保持一致，為了確保檢測到的任何光線都來自pixellon效應，研究人員將使用光學腔過濾掉附近的所有頻率。如果成功，漏光量應該非常小——該團隊估計大約每12分鐘有一個調制的光子，速率或為10-3 Hz。為了檢測如此微弱的信號，研究人員將安裝一個超導納米線傳感器，它能夠以非常小的暗計數(假信號)率來檢測單個光子。

還有其他影響，例如反射鏡中的熱噪聲，可能導致光子從系統中泄漏出來。研究人員計算了他們實驗設計的預期噪聲水平，發現在檢測信號是否存在方面，光子計數干涉儀可以比檢測干涉信號偏移的傳統干涉儀快100倍。

研究人員目前正在構建一個1米尺度的演示實驗。如果進展順利，他們計劃建造長為7米的全尺度實驗。他們還計劃建造兩個彼此相鄰的干涉儀，以便進一步檢查背景噪聲。

紐約錫拉丘茲大學的引力波專家Stefan Ballmer說：“該設計避免了影響傳統測量方法的一些量子不確定性限制，但GQuEST研究人員在充分過濾其輸出方面將面臨挑戰。”

芝加哥大學的量子計量專家Aaron Chou認為，GQuEST策略將顯著提高對小信號的靈敏度，光子計數方法受益于最好的超導納米線探測器中改進的10-5 Hz暗計數率。這種低測量噪聲使實驗者能夠專注于減少設備中的其他噪聲源。他和Ballmer都設想了這種光子計數設備在尋找其他信號方面的應用，例如來自早期宇宙的引力波。

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