Gravitationally Mediated Entanglement in Interferometers with Repeated Splitting

De relatie tussen de twee grote pijlers van de moderne natuurkunde—kwantummechanica, die het zeer kleine beheerst, en zwaartekracht, die het zeer grote beheerst—blijft een van de meest diepgaande mysteries in de wetenschap. Decennialang hebben natuurkundigen zich afgevraagd of zwaartekracht zelf een kwantumkracht is, in staat om deeltjes te verstrengelen net zoals licht of magnetisme dat kan. De standaardvisie suggereert dat als twee objecten uitsluitend door hun zwaartekracht aantrekking verstrengeld raken, de zwaartekracht van nature kwantummechanisch moet zijn. Het testen hiervan is echter uiterst moeilijk omdat zwaartekracht de zwakste van alle krachten is, en de kwantumeffecten die het zou kunnen produceren gemakkelijk worden weggespoeld door omgevingsruis. Om dit te omzeilen, hebben onderzoekers materiegolf-interferometrie voorgesteld, een techniek waarbij minuscule objecten in een staat van "superpositie" worden gebracht, waardoor ze effectief op twee plaatsen tegelijk bestaan. Als twee dergelijke objecten, gescheiden in de ruimte, uitsluitend via zwaartekracht interageren en verstrengeld raken, zou dat een krachtig teken zijn dat de zwaartekracht volgens kwantumregels werkt.

Een team onderzoekers aan University College London heeft nu een complexere versie van dit idee verkend, met de vraag of het splitsen van deze objecten in meer paden het kwantumsignaal sterker kan maken. In hun studie analyseerden zij een protocol waarbij twee minuscule massa's niet alleen in twee paden worden gesplitst, maar herhaaldelijk opnieuw worden gesplitst, waardoor het aantal mogelijke routes wordt verdubbeld. Door dit proces met specifieke parameters te simuleren, ontdekten zij dat het toevoegen van deze extra splitsingsfasen de delicate kwantumverbinding niet vernietigt; in plaats daarvan kan het de hoeveelheid gegenereerde verstrengeling aanzienlijk vergroten, zelfs in de aanwezigheid van omgevingsruis die dergelijke effecten gewoonlijk doodt.

De kern van hun werk betreft een gedachte-experiment met twee kleine bollen, die elk fungeren als een kwantumdeeltje. Stel je voor dat deze bollen in een vacuüm worden geplaatst, gescheiden door een afstand van 500 micrometer. De onderzoekers stelden een methode voor waarbij elke bol wordt onderworpen aan een reeks gecontroleerde "splitsingen". In de eerste splitsing duwt een magnetisch veld de bol in twee afzonderlijke paden. In een standaardexperiment zouden deze paden uiteindelijk weer samenkomen om te zien of de bol met zijn partner verstrengeld is geraakt. Maar in dit nieuwe voorstel stelden de onderzoekers voor om de paden opnieuw te splitsen. Nadat de eerste splitsing twee paden creëert, splitst een tweede operatie elk van die paden, wat resulteert in vier paden. Een derde splitsing creëert acht, enzovoort. Elke keer dat de paden worden gesplitst, verdubbelt het aantal mogelijke routes, waardoor een complex web van mogelijkheden ontstaat waarin de twee massa's gravitationeel interageren over vele verschillende afstanden tegelijkertijd.

De onderzoekers waren bezorgd dat deze toegevoegde complexiteit een tweesnijdend zwaard zou kunnen zijn. Meer paden betekenen meer kansen voor de omgeving om het systeem te verstoren, wat potentieel de kwantumverstrengeling vernietigt voordat deze gemeten kan worden. Zij modelleerden het systeem met behulp van twee identieke diamantbollen, die elk een massa hebben van 1,5 × 10⁻¹⁴ kilogram, een massa die groot genoeg is om een meetbare zwaartekracht te hebben, maar klein genoeg om kwantumgedrag te behouden. Zij simuleerden de reis van deze bollen over een periode van 10 seconden, waarbij rekening werd gehouden met de gravitationele aantrekking tussen hen en de onvermijdelijke "decoherentie" veroorzaakt door de omgeving, die zij modelleerden als een ruispercentage variërend van 0,005 tot 0,030 per seconde.

Hun analyse onthulde een verrassende veerkracht in de kwantumverbinding. Zij ontdekten dat de verstrengeling die wordt gegenereerd door de gravitationele interactie niet gemakkelijk verloren gaat wanneer het aantal paden toeneemt. Sterker nog, de simulaties toonden aan dat het twee-splitsingsprotocol aanzienlijk meer verstrengeling genereerde dan de enkelvoudige splitsingsversie over alle geteste ruigniveaus. Zelfs in het meest lawaaierige scenario dat zij overwogen, waarin de omgeving er alles aan deed om de verbinding te verbreken, produceerde de twee-splitsingsmethode een veel sterkere kwantumverbinding. De onderzoekers leidden een wiskundige voorwaarde af om te bewijzen dat het toevoegen van een splitsing de verstrengeling niet onder een bepaald punt kan reduceren, wat effectief garandeert dat de kwantumverbinding standhoudt.

Om dit praktisch te maken, heeft het team ook overwogen hoe de resultaten uitgelezen kunnen worden. In een perfecte wereld zou het experiment een gedetailleerd verslag bijhouden van welk pad elke bol heeft genomen, waardoor wetenschappers de volledige kwantumtoestand kunnen reconstrueren. Echter, in een realistischer scenario waarbij het interne geheugen van het systeem beperkt is tot slechts twee toestanden, moeten de paden op een specifieke manier worden samengevoegd om het signaal te extraheren. De onderzoekers ontwikkelden een precieze test, gebaseerd op een specifieke wiskundige controle, om te bepalen of dit samengevoegde signaal meer verstrengeling zou vertonen dan een eenvoudiger experiment. Hun simulaties bevestigden dat zelfs met deze beperkte uitlezing, het twee-splitsingsprotocol beter presteerde dan het enkelvoudige splitsingsprotocol. Aan het einde van de 10-seconden simulatie vertoonde de enkelvoudige splitsingsmethode een zeer zwakke kwantumverbinding, terwijl de twee-splitsingsmethode een verbinding liet zien die bijna drie keer sterker was, ondanks dezelfde hoeveelheid omgevingsruis.

De studie adresseerde ook een cruciale vraag: verkort de toegevoegde complexiteit van meerdere splitsingen de tijd dat de verstrengeling duurt? De onderzoekers bewezen dat dit niet het geval is. Zij toonden aan dat als het systeem verstrengeld is na de eerste splitsing, het ook verstrengeld zal blijven na de tweede splitsing, ongeacht de geaccumuleerde gravitationele fasen. Dit betekent dat het toevoegen van meer splitsingsfasen de kwantumtoestand niet fragieler maakt; het biedt feitelijk meer "ruimte" voor de gravitationele interactie om een sterkere band op te bouwen. De onderzoekers merkten op dat hoewel hun werk momenteel een simulatie is, de fysieke parameters die zij gebruikten, zoals de massa van de bollen en de sterkte van de magnetische gradiënten, binnen het bereik liggen van wat er voor toekomstige experimenten wordt voorgesteld.

Dit werk suggereert een nieuwe richting voor het onderzoeken van de kwantumaard van zwaartekracht. In plaats van te proberen een enkele, perfecte interactie te isoleren, kunnen wetenschappers mogelijk de kracht van meerdere, herhaalde interacties aanwenden om het signaal te versterken. De bevindingen geven aan dat de geometrie van het experiment—het aantal paden dat de deeltjes afleggen—een cruciale ontwerpkeuze is. Door deze paden zorgvuldig te arrangeren, kunnen onderzoekers potentieel de beperkingen van ruis overwinnen en de zwakke kwantumfluisteringen van de zwaartekracht detecteren. De studie claimt geen kwantumzwaartekracht te hebben gedetecteerd, maar biedt een robuust theoretisch kader en een duidelijke set voorwaarden waaronder toekomstige experimenten succesvol zouden kunnen zijn. Het biedt een routekaart voor hoe men gevoeliger tests kan bouwen, waarbij wordt aangetoond dat met de juiste configuratie, de kwantumaard van de zwaartekracht binnen het bereik van onze beste interferometers kan liggen.