Квантовый компьютер в качестве детектора показывает, что пространство не сжимается

С тех пор Эйнштейн предложил свою специальную теорию относительности в 1905 году, физика и космология базировались на предположении, что пространство выглядит одинаково во всех направлениях, то есть, не сжато в одном направлении по отношению к другим.

Новый эксперимент физиков в UC Berkeley использовал частично зацепленные атомы, идентичные кубитам в квантовом компьютере, чтобы продемонстрировать более точно, чем когда-либо прежде, что это правда, с ошибкой 10^-18.

Классический эксперимент, который вдохновил Альберта Эйнштейна, был выполнен в Кливленде Альбертом Майкельсоном и Эдвардом Морли в 1887 году, и опроверг существование "эфира", пронизывающего пространство, через который свет, как считалось, двигается, как волны через воду. Он также доказал то, сказал доц. Хартмут Хеффнер (Hartmut Häffner), что пространство изотропно и что свет распространяется с одинаковой скоростью в любом направлении.

«Майкельсон и Морли доказали, что пространство не сжимается, - сказал доц. Хеффнер. – Эта изотропия имеет фундаментальное значение для всей физики, в том числе и для Стандартной модели. Если убрать изотропию, вся Стандартная модель рухнет. Вот почему люди заинтересованы в тестировании этого свойства пространства».

Стандартная модель физики элементарных частиц описывает, как взаимодействуют все элементарные частицы, и требует, чтобы все частицы и поля были инвариантны относительно преобразований Лоренца, и, в частности, что они ведут себя одинаково независимо от того, в каком направлении они двигаются.

Хеффнер и его команда провели эксперимент, аналогичный эксперименту Майкельсона-Морли, но с электронами вместо света. В вакуумной камере он и его коллеги изолировали два иона кальция, частично зацепив их, как в квантовом компьютере, а затем наблюдали энергии электронов в ионах по мере того как Земля вращается вокруг своей оси за 24 часа.

Если бы пространство было сжато в одном или нескольких направлениях, то энергия электронов изменялась бы с 12-часовым периодом. Это не было зафиксировано, показав, что пространство является на самом деле изотропным с точностью 10 -18, в 100 раз лучше, чем в предыдущих экспериментах с участием электронов, и в пять раз лучше, чем эксперименты типа Майкельсона и Морли, в которых используется свет.

Результаты опровергнут, по крайней мере, одну теорию, которая расширяет Стандартную модель, предполагая некоторую анизотропию пространства, сказал доц. Хеффнер.

Хеффнер пришел к идее использования запутанных ионов для проверки изотропности пространства при конструировании квантовых компьютеров, которые связаны с использованием ионизированных атомов в качестве кубитов, зацепляя их волновые функций электронов и заставляя их эволюционировать, чтобы сделать расчеты недоступные современным цифровым компьютерам. Ему пришло в голову, что два зацепленных кубита могут служить в качестве чувствительных детекторов небольших нарушений изотропии пространства.

«Я хотел сделать эксперимент, потому что я думал, что он будет элегантен и что было бы здорово применять наши квантовые компьютеры в совершенно другой области физики, - сказал он. - Но я не думаю, что мы будем конкурировать с экспериментами, которые выполняются специалистами, работающими в этой области».

Он надеется сделать более чувствительные квантовые компьютеры-детекторы, используя другие ионы, такие как иттербий, чтобы получить еще 10 000-кратное увеличение точности измерения симметрии Лоренца. Он также изучает с коллегами будущие эксперименты для выявления пространственных искажений, обусловленных эффектом частиц темной материи, которые пока являются полной загадкой.

«Мы впервые использовали инструменты из квантовой информатики для проведения теста фундаментальных симметрий, то есть, мы спроектировали квантовое состояние, которое невосприимчиво к распространенным шумам, но чувствительно к нарушению симметрии Лоренца, - отметил Хеффнер. - Мы были удивлены, что эксперимент просто работал, и теперь у нас есть фантастический новый метод под рукой, который можно использовать, чтобы сделать очень точные измерения возмущений пространства».

По мере того как Земля делает оборот каждые 24 часа, ориентация ионов в квантовом компьютере / детекторе изменяется в системе покоя с Солнцем в качестве центра. Если бы пространство было сжато в одном направлении, энергии электронов в ионах сдвигались бы с 12-часовым периодом

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365