摘要 我们展示了汉密尔顿行为的数字量子模拟,该行为控制着量子力学振荡器和光场之间的相互作用,通过引力效应在它们之间产生量子纠缠。这是通过利用玻色子量子比特映射协议和数字门分解来实现的,这些协议和数字门分解使我们能够在 IBM Quantum 平台中可用的量子计算机中运行模拟。在应用误差缓解和后选择技术后,我们展示了在两台不同的量子计算机中获得的实验保真度结果。所获得的结果保真度超过 90%,这表明我们能够对相互作用进行忠实的数字量子模拟,从而对光机械系统中通过引力手段产生量子纠缠进行忠实的数字量子模拟。
编辑:N. Lambert 我们引入了一种创新方法,使用新颖的理论框架探索引力的量子方面。我们的模型深入研究了引力诱导纠缠 (GIE),同时避开了 LOCC 原理施加的传统通信限制。具体来说,我们将非相对论二维量子振荡器探测器与线性极化引力波 (GW) 连接起来,利用 GW 固有的量子特性在振荡器的量子态中观察 GIE。由于我们的模型遵循“事件”和“系统”局部性,因此检测到的 GIE 可作为引力量子性质的可靠指标。通过引力波探测器探测这种纠缠可以证实引力的量化并揭示其源的关键特性。
构建一种理论,即统一量子力学(QM)和一般相对论(GR)一直是一项近一个世纪的努力,一直持续到今天。即使在理论量子重力方面取得了长足的进步,我们仍然没有完整的解决方案。也许是由于这项努力的巨大困难,因此早期实现了体验物理学在量子重力领域中起着的关键作用,这是早期实现的,这是对重力波(GWS)在2015年提高引力波(GWS)的首次观察的作用[1-4]。在2016年GW发现论文之前,量子重力实验探针的建议包括γ射线爆发[5],米歇尔森实验室量表的干涉仪[6],超高的能量宇宙射线和界面[7] [7] 9],重力耦合G [10,11],量子与重力散射[12,13],分子干涉测定法[14],洛伦兹违反了签名和约束[15],以及许多其他[16] [16] [16],两种模型依赖于模型的空间(例如,弦量量子量)(例如,弦量量子量)(例如,独立的量子)。从2016年开始,在越来越多的新(或更新)的实验溶液(包括干涉仪)中,可以检测到GW的较弱领域中可能弱的信号。实际上,尽管GR正确地解释了所有当前的GW观察结果[17-19]和重力测试[20],但仍然有可能
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∗ 首席科学家,空间材料实验室,AIAA 成员。通讯作者。† 系统工程部技术人员。‡ 高级工程专家(退休),通信系统与工程分部。§ 工程专家,制导与控制分部,AIAA 成员。¶ 高级项目负责人,系统分析与模拟分部,高级 AIAA 成员。‖ 高级项目负责人,CSG 技术。∗∗ 系统分析与模拟分部副主任。†† 研究科学家,宇宙结构研究组。
其中 D μ 是弯曲时空中的协变导数。在这种情况下,m 根本不是一个乘法因子,而是克莱因-戈登方程中的特征。在这种背景下,有建议认为量子流体(超导体、超流体、量子霍尔流体、玻色-爱因斯坦凝聚体)的性质可能会增强与引力波的相互作用,从而导致超流体成为引力天线的介质[1-7],超导电路作为引力波探测器[8]、换能器[9,10]和镜子[11-13]。这些想法并非没有引起争议[14-16]。原因是许多这些想法启发性地应用了量子粒子违反 WEP 的概念。这促使我们为引力波中的量子粒子提供更严格的 WEP 特征。WEP 认为自由落体轨迹应该与质量无关,可以重新表述为自由落体物体的 Fisher 信息与质量不变的陈述 [ 17 ]。在这个信息论框架中,违反 WEP 意味着人们可以提取有关自由落体物体质量的信息。WEP 的这种信息论表述具有以下优势:它可以以明确的方式扩展到量子物体。具体而言,Fisher 信息给出了可观测随机变量提供的有关未知参数的信息量。在我们的例子中,随机变量是粒子 x 的位置,未知参数是其质量 m 。对于具有波函数 ψ( x , t ) 的粒子,Fisher 信息为
等效原理是爱因斯坦相对论的支柱之一,因此,它最初是在经典理论中表述的,经典理论中,点粒子的所有可观测量,特别是其位置、能量和质量,在粒子的任何状态下都是清晰的。其他原理也是如此,比如能量守恒定律,尽管如此,其在量子理论中的表达和有效性还是被广泛接受。然而,对于量子系统的等效原理的表述存在很大争议:这是因为量子系统可以存在于空间叠加中,而经典表述的等效原理并不直接涵盖这种情况。因此,有人提议将其扩展到量子系统 [ 1 – 3 ];也有人声称量子系统违反了该原理(例如,参见 Anastopoulos 和 Hu 的引言 [ 4 ] 以及本文的参考文献);有些人还声称这应该是引力状态降低的原因 [ 5 ]。这里讨论的重点是,等效原理意味着不同质量的粒子应该以相同的速率在相同的引力场中下落。然而,量子德布罗意波长是粒子质量的函数,因此不同质量的粒子在同一引力场中的干涉效果会有所不同。这似乎违反了等效原理的规定,即不同质量的粒子在同一场中的行为无法区分。正如我们将在下文中看到的,在我们提出的量子等效原理中,这并不是一个相关问题。我们相信,对于争议的其他方面也是如此,例如 Anastopoulos 和 Hu [ 4 ] 中提到的方面。在这里,我们想通过类似于能量守恒的方法将等效原理扩展到量子领域。也就是说,为了将该原理扩展到量子领域,我们将假设对于量子叠加的任何分支,该原理都成立。具体来说,我们假设,对于在位置 x 处尖锐的空间叠加态的每个分支,等效原理以其当前接受的形式之一成立:通过在 x 处的局部操作,均匀重力场 g 中静止的点粒子的运动状态与在 x 处经历加速度 − g 的点粒子的运动状态在经验上是无法区分的。
在一个多折的宇宙中,重力从纠缠中通过多重机制出现。结果,重力样效应出现在它们是真实或虚拟的纠缠粒子之间。远距离,无质量的重力是由无质量虚拟颗粒的纠缠导致的。大量虚拟颗粒的纠缠导致非常小的尺度上的重力贡献。多重机制也导致了一个离散的时空,具有随机的行走分形结构和非交通性几何形状,该几何形状是Lorentz不变的,并且可以用显微镜黑洞对时空节点和颗粒进行建模。所有这些恢复在大尺度上的一般相对论,半古典模型保持有效,直到比通常预期的尺度较小。重力可以添加到标准模型中。这可能有助于解决标准模型(SM)的几个开放问题,而没有重力以外的其他新物理学。这些考虑暗示了重力与标准模型之间的更强关系。
1蒂安辛任务的主要实验室,蒂安辛重力物理与物理与天文学研究中心,蒂安平的边境科学中心,西萨斯州引力波研究中心,孙子耶特大学(Zhuhai校园),珠海人519082,人民的重格实验性,莫斯特式实验室,华盛科技大学物理学院,武汉430074,中华人民共和国3天文学与太空科学学院,以及现代天文学与天体物理学的主要实验室(南京大学),南京大学教育部,南京大学,南京210023,中国。4太空科学学院,山东大学,山东大学空间科学研究所,中国264209†这些作者为这项工作做出了同样的贡献。 * suwei25@mail.sysu.edu.cn4太空科学学院,山东大学,山东大学空间科学研究所,中国264209†这些作者为这项工作做出了同样的贡献。* suwei25@mail.sysu.edu.cn