量子理論和廣義相對論是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基本理論，它們都已被高度精確地驗(yàn)證。量子理論解釋了微觀粒子世界的諸多奇妙現(xiàn)象，而廣義相對論則解釋了什么是引力。

在廣義相對論中，引力不再被視為一種力，而是時(shí)空彎曲的結(jié)果。根據(jù)廣義相對論，引力越強(qiáng)的地方，時(shí)間流逝得越慢，這就是所謂的“引力時(shí)間膨脹”。這引發(fā)了更深層次的問題：這種隨引力變化的時(shí)間流動(dòng)，是否會(huì)影響量子力學(xué)的運(yùn)行機(jī)制？當(dāng)我們試圖統(tǒng)一量子理論和廣義相對論時(shí)，是否需要對其中之一，甚至兩個(gè)理論都進(jìn)行修正？

在一項(xiàng)新發(fā)表于《PRX Quantum》的研究中，一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)提出了一種新方案，表示借助由光學(xué)原子鐘構(gòu)成的量子計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，物理學(xué)家或?qū)⒂型ㄟ^實(shí)驗(yàn)來探測這兩大理論之間的相互作用，并在彎曲時(shí)空中直接檢驗(yàn)量子理論的適用性。

玻恩定理與三源干涉

根據(jù)廣義相對論，質(zhì)量的存在會(huì)使時(shí)空發(fā)生彎曲。而這種彎曲可通過引力時(shí)間膨脹現(xiàn)象在量子系統(tǒng)中表現(xiàn)出來——即分布在不同高度的時(shí)鐘將經(jīng)歷不同的時(shí)間流速。這一效應(yīng)在黑洞和中子星等超高密度天體周圍尤為顯著，但在引力相對較弱的地球上則相對微弱。

因此，研究人員認(rèn)為，要想在地球附近探測這種時(shí)間膨脹效應(yīng)，必須依賴光學(xué)原子鐘的極高量子測量精度。然而，沒有實(shí)驗(yàn)?zāi)?strong>直接觀測到時(shí)空曲率對量子力學(xué)本身的影響。

以往的理論研究認(rèn)為，時(shí)空的曲率可能會(huì)改變公認(rèn)的量子理論中的一個(gè)基本原則——玻恩定理（Born rule）。

玻恩定理是一條建立在量子理論的線性基礎(chǔ)上的原則，它使得抽象的數(shù)學(xué)表達(dá)可轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)可驗(yàn)證的預(yù)測。然而，這種定理的偏離極難捕捉，因?yàn)樗鼈冎粫?huì)出現(xiàn)在具有一定“內(nèi)在非線性”的量子系統(tǒng)中。

玻恩定理的一個(gè)預(yù)測是：多個(gè)量子源之間如何組合并產(chǎn)生干涉。在一個(gè)由三個(gè)量子源組成的系統(tǒng)中，玻恩定理認(rèn)為只需考慮成對干涉（也就是源1與源2、源1與源3、源2與源3）就可以完整描述系統(tǒng)。若引力改變了這一定理，就會(huì)出現(xiàn)一種三源同時(shí)干涉的現(xiàn)象。

要測試這種情況，就必須構(gòu)建一個(gè)三源系統(tǒng)，并確保這三個(gè)源覆蓋了足夠大的非線性，從而讓這種偏離在實(shí)驗(yàn)中被清晰地觀測到。

三節(jié)點(diǎn)量子網(wǎng)絡(luò)

于是，在新的研究，物理學(xué)家提出了這個(gè)由三個(gè)光學(xué)原子處理器節(jié)點(diǎn)組成的量子網(wǎng)絡(luò)：只需將三臺(tái)量子計(jì)算機(jī)在垂直方向上拉開約1千米的高度差，就足以讓地球引力場的非線性效應(yīng)影響它們之間共享的量子態(tài)。

地球引力通過彎曲時(shí)空顯現(xiàn)出來，這種時(shí)空曲率可能會(huì)改變標(biāo)準(zhǔn)量子理論的基本規(guī)則。一個(gè)由三臺(tái)位于不同高度的量子計(jì)算機(jī)組成的實(shí)驗(yàn)，能夠揭示引力與量子力學(xué)之間的深層相互作用。（圖/Igor Pikovski）

具體而言，他們設(shè)想將一個(gè)光學(xué)原子鐘的狀態(tài)以退局域的方式地分布在三個(gè)位于不同高度、相距千米的原子系統(tǒng)之間。這種退局域性通過將鐘的“存在”與“不存在”狀態(tài)編碼進(jìn)每個(gè)原子系統(tǒng)的量子態(tài)中來實(shí)現(xiàn)，從而使這三個(gè)系統(tǒng)能共同組成一個(gè)集體性的糾纏態(tài)量子系統(tǒng)，即所謂的“W態(tài)”。

目前的量子技術(shù)已經(jīng)能夠通過量子隱形傳態(tài)（即將一個(gè)粒子的量子態(tài)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)粒子），在物理上相互分離的計(jì)算機(jī)之間創(chuàng)建W態(tài)。利用這一事實(shí)，研究人員證明：引力時(shí)間膨脹將導(dǎo)致W態(tài)的各個(gè)組分呈現(xiàn)出特定的干涉圖樣，從而能夠明確預(yù)期，如果玻恩定理發(fā)生偏離，這種偏離將在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中以何種方式表現(xiàn)出來。

研究人員解釋道，新方案的優(yōu)勢在于，它依賴于已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)證實(shí)或即將實(shí)現(xiàn)的量子信息協(xié)議，因此比較容易實(shí)施。這一方案可以實(shí)現(xiàn)對彎曲時(shí)空背景下量子理論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，從而為探索量子力學(xué)與廣義相對論的交匯點(diǎn)開辟了新路徑。

#參考來源：

https://iquist.illinois.edu/news/76824

https://www.stevens.edu/news/quantum-internet-meets-space-time-in-this-new-ingenious-idea

https://journals.aps.org/prxquantum/abstract/10.1103/q188-b1cr

https://physics.aps.org/articles/v18/135#c3

#圖片來源：

封面圖&首圖：Caltech/MIT/LIGO Lab/(T. Pyle)