Группа ученых под руководством Игоря Пиковски, профессора физики в колледже Стивенса и сотрудника Стокгольмского университета, придумала способ детектирования отдельных гравитонов — квантовых частиц, которые порождают гравитационное взаимодействие. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Физики разработали метод, который позволяет обнаружить одиночные гравитоны с помощью квантового зондирования. Новый подход основывается на явлении, аналогичном фотоэлектрическому эффекту, открытие которого позволило Эйнштейну разработать квантовую теорию света. Суть в том, что обмен энергией между материалом и волнами происходит только дискретными шагами, то есть поглощаются и испускаются отдельные гравитоны.
Метод предполагает использование акустического резонатора, который представляет собой тяжелый цилиндр, оснащенный сверхчувствительными квантовыми датчиками для отслеживания изменений энергетического состояния. Материал охлаждается до очень низкой температуры, что позволяет наблюдать квантовые скачки, возникающие при прохождении гравитационной волны, которые укажут на поглощение гравитона.
Исследователи предполагают, что их метод позволит использовать данные, уже собранные обсерваторией LIGO, для улучшения точности обнаружения гравитонов. Обсерватория LIGO хорошо справляется с обнаружением гравитационных волн, однако пока не способна регистрировать отдельные гравитоны. Предложенное учеными квантовое зондирование могло бы решить эту задачу, при условии использования перекрестной корреляции с данными LIGO для изоляции сигналов отдельных гравитонов.
С помощью математического моделирования были вычислены параметры, которые максимизируют вероятность поглощения гравитона. Для этого ученые проанализировали данные гравитационных волн от столкновения нейтронных звезд, измеренных на Земле в 2017 году. Было предложено использовать специальные цилиндрические стержни, аналогичные стержням Вебера, которые могут поглощать и испускать гравитоны по аналогии с тем, как световые кванты взаимодействуют с материей.
Хотя необходимая для реализации эксперимента технология еще не существует, ученые уверены, что этот метод будет работать. Они полагают, что будущее развитие квантовых технологий позволит вскоре обнаружить отдельные гравитоны и тем самым сделать первый шаг к объединению гравитации и квантовой механики.