《PRL》重磅：光對(duì)引力子的受激發(fā)射或吸收

調(diào)和阿爾伯特·愛因斯坦描述引力為時(shí)空彎曲的經(jīng)典理論——廣義相對(duì)論，與支配自然界基本粒子和作用力的量子場(chǎng)論，仍然是現(xiàn)代物理學(xué)中最重大的挑戰(zhàn)之一。引力子——引力場(chǎng)的假想量子——是幾乎所有量子引力理論的核心預(yù)測(cè)，但由于其與物質(zhì)的相互作用極其微弱，長(zhǎng)期以來(lái)其直接探測(cè)一直被認(rèn)為是不可能實(shí)現(xiàn)的。

發(fā)表在PRL題為《Stimulated emission or absorption of gravitons by light》的開創(chuàng)性提案，提供了一條有希望且可能可行的實(shí)驗(yàn)途徑來(lái)探索引力的量子性質(zhì)。通過(guò)類比量子光學(xué)中已充分理解的受激發(fā)射現(xiàn)象（激光的工作原理），這項(xiàng)工作將研究重點(diǎn)從被動(dòng)觀測(cè)自發(fā)引力現(xiàn)象，轉(zhuǎn)向主動(dòng)尋找引力子相互作用在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中的量子指紋。

概念基礎(chǔ)：從經(jīng)典到量子相互作用

擬議的實(shí)驗(yàn)基于這樣一個(gè)理念：正如光子可以刺激處于激發(fā)態(tài)的原子發(fā)射出第二個(gè)相同的光子（受激發(fā)射）一樣，一個(gè)預(yù)先存在的經(jīng)典引力波——可以視為一個(gè)由極高能量、相干引力子組成的場(chǎng)——也可以刺激光子發(fā)射或吸收單個(gè)引力子。

受激過(guò)程的類比

在傳統(tǒng)的量子光學(xué)中，支配光與物質(zhì)相互作用的三個(gè)過(guò)程是：

1. 吸收：原子吸收光子，導(dǎo)致電子躍遷到更高的能級(jí)。
2. 自發(fā)發(fā)射：電子從激發(fā)態(tài)隨機(jī)衰減，發(fā)射一個(gè)光子。
3. 受激發(fā)射：一個(gè)入射光子與激發(fā)態(tài)原子相互作用，促使其立即衰減并發(fā)出第二個(gè)相同的光子。

引力子與光相互作用的提案模仿了第三種情況：

• 一個(gè)引力波（頻率為ω_GW）穿過(guò)一個(gè)介質(zhì)（例如，一道激光束）。
• 激光束中的高能光子（頻率為ω_light）與引力波場(chǎng)發(fā)生相互作用。
• 受激吸收：光子吸收一個(gè)引力子，其能量（頻率）增加：?ω_light→?ω_light + ?ω_GW。
• 受激發(fā)射： 光子刺激引力波場(chǎng)發(fā)射一個(gè)引力子，其能量（頻率）減少：?ω_light→?ω_light - ?ω_GW。

這種能量轉(zhuǎn)移——光脈沖中極其微小的頻率漂移——是單個(gè)引力子交換的關(guān)鍵、可觀測(cè)的特征，從而證實(shí)了引力能量場(chǎng)的量子化性質(zhì)。

實(shí)驗(yàn)方案：“光學(xué)韋伯棒”

直接測(cè)量光脈沖因單個(gè)引力子交換而產(chǎn)生的能量變化是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。一個(gè)典型引力波引力子（來(lái)自黑洞并合，ω_GW~102 Hz）的能量是微不足道的，對(duì)應(yīng)于ΔE≈?ω_GW≈10^{-32}焦耳的能量偏移。

為了將這種微小的偏移放大成可測(cè)量的信號(hào)，該提案建議使用一種類似于引力波直接探測(cè)所使用的干涉儀設(shè)置，但重新用于量子傳感：一種基于擴(kuò)展的 Sagnac 或 Mach-Zehnder 干涉儀幾何結(jié)構(gòu)的“光學(xué)韋伯棒”。

探測(cè)機(jī)制

1. 脈沖分離：一束高能激光脈沖被分成兩半，沿著干涉儀長(zhǎng)臂向相反方向傳播。
2. 相互作用：一個(gè)穿過(guò)的引力波（頻率為ω_GW）引起時(shí)空的瞬時(shí)應(yīng)變h(t)。這種應(yīng)變調(diào)制了光的速度和/或光程。至關(guān)重要的是，在引力波場(chǎng)中傳播的光脈沖會(huì)經(jīng)歷一個(gè)頻率偏移（通過(guò)引力波引起的多普勒效應(yīng)），該偏移與引力場(chǎng)強(qiáng)度和光子自身頻率成正比。
3. 相位累積：關(guān)鍵的創(chuàng)新在于一個(gè)相位累積階段。兩個(gè)頻率略有偏移（ω_light ±Δω）的光脈沖被要求傳播極遠(yuǎn)的距離（通過(guò)高穩(wěn)定真空中的復(fù)雜逆反射，可能達(dá)到10?公里或更長(zhǎng)）。由于頻率略有不同，兩個(gè)脈沖的相位將逐漸漂移。
4. 干涉信號(hào)：當(dāng)脈沖最終在一個(gè)探測(cè)器處重新組合時(shí)，累積的相位差（ΔΦ）將微小的頻率偏移轉(zhuǎn)化為一個(gè)顯著的、可測(cè)量的干涉或拍頻信號(hào)。這個(gè)可觀測(cè)相位偏移的大小與光和引力波場(chǎng)之間交換的總能量成正比。

決定性的量子檢驗(yàn)在于這種能量轉(zhuǎn)移的量級(jí)：如果測(cè)得的能量轉(zhuǎn)移 E_transfer 超過(guò)了單個(gè)引力子的能量 (?ω_GW)，那么它就提供了引力子作為離散能量量子存在的“確鑿證據(jù)”。

對(duì)量子引力的意義

這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的成功實(shí)現(xiàn)將帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響，從根本上標(biāo)志著人類與引力關(guān)系的轉(zhuǎn)變——從被動(dòng)觀測(cè)自然現(xiàn)象（如LIGO對(duì)引力波的探測(cè)）到主動(dòng)操縱其量子組成部分。

• 引力子的實(shí)驗(yàn)證據(jù)：引力子交換的明確特征將為引力場(chǎng)是量子化的提供第一個(gè)真正的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，驗(yàn)證量子引力學(xué)的核心信條。
• 探測(cè)量子引力態(tài)： 通過(guò)采用高度非經(jīng)典的光態(tài)，例如 NOON 態(tài)（一種特殊的光子糾纏態(tài)），該實(shí)驗(yàn)可以超越單純的引力子探測(cè)。它有可能探測(cè)引力場(chǎng)本身的實(shí)際量子統(tǒng)計(jì)和糾纏特性，為量子引力理論的發(fā)展提供經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)。
• 與電磁學(xué)的歷史相似性： 該提案常被比作本杰明·富蘭克林對(duì)閃電的實(shí)驗(yàn)。正如富蘭克林的工作將電磁學(xué)從一種自然現(xiàn)象轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N可控、可操縱的力量一樣，控制和探測(cè)單個(gè)引力子交換的能力可以為引力像電磁學(xué)一樣成為可控技術(shù)資源的未來(lái)鋪平道路。

盡管技術(shù)障礙是巨大的，特別是對(duì)超長(zhǎng)、超穩(wěn)定相位累積階段和超靈敏量子傳感的需求，但通過(guò)光來(lái)探測(cè)受激引力子發(fā)射的概念，代表了在追求實(shí)驗(yàn)量子引力道路上一個(gè)現(xiàn)實(shí)的、非基礎(chǔ)性的障礙。這是一個(gè)大膽的提議，它將現(xiàn)代物理學(xué)的終極挑戰(zhàn)置于接近未來(lái)量子技術(shù)的射程之內(nèi)。