Gravitational time dilation in quantum clock interferometry with entangled multi-photon states and quantum memories
本文提出了一种利用频率纠缠多光子态的记忆辅助量子时钟干涉仪，用以放大引力时间膨胀效应，并证明了利用现有的量子存储器，近期的实验室实验即可观测到由仅几米高度差所驱动的纠缠动力学。
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重力通常被认为是向下吸引物体的力量，但在爱因斯坦广义相对论的领域中，它也是一种让时间变慢的力量。你所处的引力场越深，你的时钟相对于更高处的人跳动得就越慢。这种被称为“引力时间膨胀”的现象已经通过精确的原子钟得到了多次证实。然而，一个新的问题出现了：这种时间的减慢是否会影响量子力学中那些奇特且微妙的规则？具体来说，如果一个量子系统表现得像一个时钟，并且处于两个不同高度的叠加态中，那么这两个高度所经历的时间差异是否会导致该量子系统失去其特殊的性质？回答这个问题至关重要，因为它探测了统治重力的宏观物理学与统治原子和光的微观物理学之间的边界。
一个研究小组提出了一种利用光和量子存储器来测试这一问题的方法。在他们的研究中，他们描述了一个实验装置，其中一种特殊的、由纠缠光子组成的光被分成两部分，并存储在两个不同的高度位置。其中一个位置比另一个位置稍高。由于重力的作用，这两个位置流逝的时间略有不同。研究人员表明，这种时间差异会在光的量子态中产生一种细微的偏移。当光被取出并重新汇合时，这种偏移会导致光波以特定的模式相互干涉。这种模式会根据光的存储时间以及两个高度之间的距离而发生变化。通过测量这种模式，科学家们可以检测到引力对量子纠缠的影响。
该实验的核心涉及一种被称为“量子存储器”的设备，它就像是光的硬盘。通常情况下，光以惊人的速度穿梭于空间，这使得很难将其长时间固定在原地，以至于重力无法产生显著的影响。为了解决这个问题，研究人员使用量子存储器将光以原子内的集体振动形式进行捕捉。他们提议将光存储在两个分离的存储器中，一个位于另一个之上。光被制备成处于两种不同频率颜色的叠加态。在叠加态的一部分中，一种颜色的光向上移动到较高的存储器，而另一种颜色的光向下移动到较低的存储器。在叠加态的另一部分中，路径被交换。因为存储器处于不同的高度，所以处于上方存储器中的光所经历的时间与处于下方存储器中的光所经历的时间略有不同。
当光从存储器中释放并重新组合时，两条路径会发生干涉。如果没有时间差异，光会以一种可预测的方式发生干涉。然而，引力时间膨胀在两条路径之间引入了一个相位偏移，即一种滞后。这种滞后导致干涉图样发生了改变。研究人员发现，通过使用纠缠光子组而非仅仅是单个光子对，他们可以使这种效应变得更加强烈。具体而言，如果他们使用 对光子组，信号的变化速度将是单个光子对的 倍。这意味着实验的灵敏度大大提高，使得他们能够比以往认为的更短距离或更短存储时间内，检测到引力的影响。
研究计算出，利用目前的技术，例如基于铷或铯原子的量子存储器，这种效应可以在高度差仅为 20 到 75 米的实验室环境中被观察到。如果使用基于稀土离子的更先进的存储器，所需的垂直高度差可以减少到仅几米。光需要被存储不到一秒到几秒钟。这比之前那些需要长达数十公里的干涉仪的方案有了显著的缩减。研究人员还表明，即使量子存储器的效率不是完美的，信号仍然保持可见，而这是一个现实的实验约束。
这项工作表明，我们正处于能够在受控的实验室环境中直接观察引力如何影响量子纠缠的边缘。通过使用量子存储器来留住光，并利用纠缠多光子态来放大信号，研究人员确定了一条切实可行的路径。结果表明，由固有时间（proper time）差异驱动的干涉图样的坍缩与复现是可以被测量的。这将提供一个直接的操作特征，展示时间膨胀如何影响量子系统，从而为探索引力与量子力学之交界提供一种新方法，而无需建造庞大且不切实际的结构。该研究确立了近期的实验室条件足以见证这些动力学过程，标志着向理解时空结构如何与量子世界相互作用迈出了重要一步。
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