Test av gravitation med stora kvantsystem: det vi vet idag
Ett av fysikens största olösta mysterier är att förena kvantmekanik och gravitation. Den största utmaningen är att kvantsystem, som vanligtvis är bland de minsta fysiska systemen, har extremt små massor. Att mäta gravitationsfältet för så små massor ligger utanför räckvidden för dagens teknik. Därför är även den till synes enkla frågan om hur gravitationen beter sig när en partikel befinner sig i en kvantsuperposition fortfarande obesvarad experimentellt. Även om många teoretiska ansatser har föreslagits för att förena kvantmekanik och gravitation, gör avsaknaden av experimentella bevis det svårt att avgöra vilken väg som är den rätta.
— Mina forskningsområden innefattar kvantinformation, kvantoptic, linjär och icke-linjär kvantdynamik, kvantkänning för gravitation och svaga krafter.
Sofia Qvarfort är biträdande universitetslektor på Fysikum vid Stockholms universitet och Nordita genom Wallenberg Initiative for Networks and Quantum Information. Hon arbetar med kvantfysik för utvecklingen av kvantteknologier som kvantkänning för gravitation och svaga krafter. Hon arbetar även med utveckla analytiska modeller för kvantsystem med icke-linjär dynamik.
Utforska gravitationseffekter av kvantsuperpositioner
Traditionellt har sökandet efter kvantgravitation fokuserat på högenergifysik. Tanken är att man genom att undersöka naturen vid allt högre energier så småningom kan få tillgång till kvantgravitationens effekter. Nuvarande partikelacceleratorer arbetar dock vid energiskalor runt 104 GeV, medan Planckskalan - där kvantgravitationseffekter förväntas bli betydande - ligger vid 1019 GeV. Att överbrygga denna klyfta är fortfarande en enorm teknisk utmaning.
Ett alternativt tillvägagångssätt är att utforska gravitationseffekterna av kvantsuperpositioner i större, mer massiva system. Om vi kunde placera ett tillräckligt massivt kvantsystem i superposition och mäta dess gravitationsfält, vad skulle vi då observera?
De senaste framstegen inom kylningstekniken har gjort det möjligt att få allt större kvantsystem till sitt grundtillstånd, vilket gör att kvanteffekterna blir mer uttalade. I takt med att massan hos sådana system fortsätter att öka kan vi så småningom nå en nivå där deras gravitationsfält kan undersökas - eller till och med där sammanflätning på grund av gravitation kan testas.
I den här översikten ger vi en ögonblicksbild av det aktuella läget inom området genom att samla viktiga idéer och förslag för sådana experiment. Vi ger också en pedagogisk introduktion till de grundläggande utmaningarna med att förena kvantmekanik och gravitation, samt en översikt över de teoretiska verktyg som krävs för att modellera massiva kvantsystem. Vi hoppas att denna översikt kommer att vara värdefull för alla som är intresserade av ämnet, särskilt studenter som vill fördjupa sin förståelse av denna fascinerande gräns inom grundläggande fysik.
Mer information
Sofia Qvarfort, biträdande lektor samt postdoktor vid Fysikum och Nordita
Möt Sofia Qvarfort, en fantastisk fysiker - videointervju av studentambassadör Furaha Bayibsa
Massive quantum systems as interfaces of quantum mechanics and gravity, forskningsartikel i Physical Review Journals
Senast uppdaterad: 10 mars 2025
Sidansvarig: Gunilla Häggström, Kommunikatör, Fysikum