Гравитация как шум: почему макрообъекты теряют квантовую когерентность ✎

На столе в лаборатории левитирует крошечная частица, удерживаемая лазерным лучом. Она находится в квантовой суперпозиции: её волновая функция описывает два положения одновременно, словно частица раздвоилась. Но это состояние не вечно. Окружающий мир постоянно вмешивается, и квантовая когерентность тает, как утренний туман. Обычно главными виновниками считают столкновения с молекулами газа и электромагнитный шум. Однако есть и более тонкий канал: гравитация.

Гравитация — это тихий шёпот, который теряется в громком шуме столкновений. Каждая молекула газа притягивает частицу, и если частица находится в суперпозиции двух положений, то гравитационное поле действует на оба положения по-разному. Это различие и разрушает квантовую интерференцию. Проблема в том, что гравитация дальнодействующая и неэкранируемая: даже очень разреженный газ может вносить вклад. Учёные из Киотского университета построили первопринципную теорию этого процесса. Они использовали формализм замкнутого временного контура, чтобы аккуратно учесть квантовые флуктуации гравитационного поля, создаваемого газом. Для разреженного нерелятивистского газа им удалось получить аналитическую формулу:

\[ \Gamma \propto M^2 \Delta x^2 \ln(k_{UV}/k_\sigma) \]

Здесь \(M\) — масса частицы, \(\Delta x\) — расстояние между двумя ветвями суперпозиции, \(k_{UV}\) и \(k_\sigma\) — ультрафиолетовый и инфракрасный масштабы. Логарифмическая зависимость означает, что декогеренция накапливается медленно, но охватывает огромный диапазон расстояний — от размера самой частицы до длины волны тепловых флуктуаций газа. Это напоминает поведение инфракрасных расходимостей в квантовой электродинамике, где также возникают логарифмы от отношения масс.

Результат может показаться разочаровывающим: гравитационный шум от газа не является препятствием для квантовых технологий. Но именно в этом и ценность работы. Раньше было неясно, может ли дальнодействующая гравитация вызывать заметную декогеренцию из-за взаимодействия с разреженным газом, и как корректно учесть инфракрасные эффекты. Теперь мы знаем, что вклад существует, но он пренебрежимо мал. Это даёт количественный ориентир для будущих экспериментов по проверке квантовой природы гравитации. Если когда-нибудь удастся создать суперпозицию достаточно массивного объекта, то гравитационный шум от окружения не помешает наблюдать более тонкие эффекты, связанные с квантовыми флуктуациями самого гравитационного поля.

Формализм, разработанный авторами, можно расширить на другие среды: фотоны, нейтрино, тёмную материю. Учёт квадрупольного момента вместо дипольного приближения позволит уточнить инфракрасное поведение. Возможно, в будущем мы научимся измерять гравитационный шум от вакуумных флуктуаций метрики. Тогда тихий шёпот гравитации перестанет быть лишь теоретической абстракцией и станет наблюдаемым явлением.