White paper: 1-10 Hz matter-wave interferometer to test the spin entanglement witness for quantum gravity
Questo white paper sostiene che il raggiungimento della soppressione del rumore a bassa frequenza inferiore a richiesta per il protocollo Quantum Gravity-Induced Entanglement of Masses (QGEM) è una sfida sperimentale critica che parallelamente agli obiettivi di mitigazione del rumore sismico e del gradiente di gravità dei rivelatori di onde gravitazionali di prossima generazione, come l'Einstein Telescope e il Cosmic Explorer.
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La gravità è la forza che sentiamo più costantemente, eppure rimane il mistero più ostinato della fisica moderna. Sebbene comprendiamo come la gravità attiri mele e pianeti attraverso la matematica della relatività generale, e comprendiamo come si comportano gli atomi e la luce attraverso le regole della meccanica quantistica, le due teorie si rifiutano di collaborare. Una descrive un tessuto liscio e continuo dello spazio e del tempo, mentre l'altra descrive un mondo di particelle discrete e frenetiche. Per decenni, gli scienziati si sono chiesti se la gravità stessa sia composta da particelle quantistiche, o se sia qualcosa di fondamentalmente diverso. Se la gravità fosse quantistica, dovrebbe essere in grado di fare qualcosa che le forze classiche non possono fare: dovrebbe essere in grado di legare due oggetti separati in una misteriosa connessione nota come entanglement, dove lo stato di uno influenza istantaneamente l'altro, indipendentemente dalla distanza. Dimostrare questo sarebbe un passo monumentale, colmando il divario tra il molto grande e il molto piccolo, ma richiede un esperimento di estrema delicatezza per cogliere un sussurro di una forza incredibilmente debole.
Un grande gruppo di fisici da tutto il mondo ha ora delineato un piano dettagliato su come catturare quel sussurro. In un nuovo white paper, propongono un esperimento specifico progettato per testare se la gravità possa creare entanglement quantistico tra due oggetti minuscoli e pesanti. L'idea è quella di prendere due diamanti microscopici, ciascuno contenente un singolo atomo con uno spin magnetico, e posizionarli molto vicini tra loro. Utilizzando campi magnetici, i ricercatori porterebbero ogni diamante in uno stato di sovrapposizione quantistica, il che significa che il diamante esiste in due posti diversi contemporaneamente. Se la gravità è una forza quantistica, l'atto dei due diamanti che esistono in questi stati sovrapposti dovrebbe far sì che diventino entangled tra loro. Misurando gli spin dei diamanti dopo un breve periodo, il team potrebbe vedere se questa connessione si è formata. Se ciò accadesse, dimostrerebbe che la gravità non è solo una trazione classica, ma un'interazione quantistica mediata da particelle, proprio come la luce è mediata dai fotoni.
Il documento non sostiene che questo esperimento sia già stato eseguito, ma piuttosto mappa le condizioni precise necessarie per farlo funzionare. I ricercatori calcolano che, per osservare questo effetto, i diamanti debbano avere le dimensioni di un piccolo virus, pesando circa un un dieci-trilionesimo di grammo. Devono essere mantenuti in un vuoto e raffreddati vicino allo zero assoluto per evitare che il calore distrugga i delicati stati quantistici. I diamanti dovrebbero essere separati da una distanza di circa trenta o cinquanta micrometri, che è approssimativamente la larghezza di un capello umano, e devono rimanere nella loro sovrapposizione per una frazione di secondo o un secondo intero. La sfida non è solo creare l'allestimento, ma mantenerlo perfettamente immobile. La Terra vibra costantemente con le scosse causate dal traffico, dalle onde oceaniche e persino dal movimento delle persone nelle vicinanze. Questi piccoli tremori creano un rumore di fondo che distruggerebbe la connessione quantistica prima che possa essere misurata.
Per risolvere questo problema, gli autori traggono un sorprendente parallelo con i massicci strumenti utilizzati per rilevare le onde gravitazionali provenienti dalla collisione di buchi neri. Mostrano che il livello di silenzio richiesto per il loro esperimento da banco è simile al silenzio necessario per l'Einstein Telescope e il Cosmic Explorer, due osservatori sotterranei proposti per ascoltare le deboli increspature dell'universo. Sia il piccolo esperimento dei diamanti che i giganteschi telescopi devono operare nello stesso intervallo di bassa frequenza, tra un e dieci hertz, dove il rumore ambientale è più intenso. Il documento suggerisce che le tecnologie sviluppate per proteggere i grandi telescopi dal rumore sismico e dal cambiamento del peso atmosferico potrebbero essere adattate per proteggere i minuscoli diamanti. Ciò include la sospensione della camera sperimentale in sofisticati sistemi di isolamento e l'uso di monitoraggio avanzato per cancellare le vibrazioni in tempo reale.
I ricercatori sottolineano con cautela che questa è una proposta, non una scoperta completata. Hanno identificato gli ostacoli specifici che devono essere superati, in particolare la necessità di sopprimere il rumore di accelerazione relativa a un livello molto al di sotto di quanto sia attualmente possibile in un laboratorio standard. Stimano che l'accelerazione dei diamanti rispetto al loro contenitore debba essere mantenuta al di sotto di una soglia specifica, circa un quadrilionesimo di metro al secondo quadrato per la radice quadrata di un hertz, per evitare che il segnale quantistico venga sommerso. Sebbene questo sembri uno standard impossibile, il documento sostiene che rientra nel campo del possibile se prendiamo in prestito le strategie di controllo del rumore dai successivi rilevatori di onde gravitazionali. Il lavoro funge da tabella di marcia, mostrando che il percorso per dimostare la natura quantistica della gravità non è bloccato da una mancanza di teoria, ma dall'immensa difficoltà di costruire un ambiente abbastanza silenzioso da poterla ascoltare. Se avesse successo, un tale esperimento confermerebbe finalmente che la gravità, come tutto il resto nell'universo, è fatta di pezzi quantistici.
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