探测单个引力子：量子科技的新奇迹？

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既然有这么多大科学家都说探测引力子不可能，现在又想出了什么好办法呢？这篇论文发表于2024年8月，标题叫做《用量子传感探测引力子》（Detecting single gravitons with quantum sensing），作者是美国斯蒂文斯理工学院 (Stevens Institute of Technology)的Igor Pikovski等人。新方案提出了两种增强机制：（1）用引力波引发物质中的单引力子跃迁过程；（2）在宏观质量尺度上制备量子系统，与对单个能量量子的连续测量相结合。通过这两个新手段，有望极大地放大单个引力子的效应，使它变得可测。
	具体而言，他们提出使用宏观质量尺度的量子系统作为受激吸收和辐射引力子的介质，然后测量其系统受激吸收引力子的能级跃迁过程。这个宏观质量尺度的量子系统是什么呢？他们考虑用铝棒（或其它类似材料）组成的声学谐振器。
	咦，怎么又是铝棒？！对引力波有了解的人，听到铝棒这个词就会想到“韦伯棒”（Weber bar）。这是历史上探测引力波的第一个方案，美国物理学家约瑟夫·韦伯（Joseph Weber，1919 - 2000）在1960年提出。他认为用一个巨大的铝棒就可以探测到引力波。韦伯的这个方案最终被证明是不成功的，但他开创了整个引力波探测领域，所以2017年诺贝尔物理学奖的三位获得者还是在领奖时感谢了他。假如将来真的用铝棒探测到了引力子，那绝对会成为佳话了！
	具体的探测过程如图所示。首先有一些剧烈的天体活动会产生引力波，例如双星环绕。当这样的引力波传到地球时，其中一个引力子可能被铝棒受激吸收，使铝棒从基态跃迁到激发态。激发态和基态之间的能量差等于被吸收的引力子能量。铝棒所处的量子态被全程监测，所以发生这样的跃迁时，我们就知道来了一个引力子。具体而言，是把引力子转化为声的效应。好比用木棍敲一敲这个铝棒，声音就会从铝棒的一端传到另一端。
	这个实验设计巧妙在何处？研究发现，处于量子相干态的铝棒受激吸收和辐射单个引力子的频率与其质量成正比。也就是说铝棒的质量越大，其吸收和辐射单个引力子的频率就越高。令人振奋的是，当振幅大约为10的-22次方的引力波通过一个半径0.5米、质量1800公斤的铝棒时，铝棒受激吸收单个引力子的频率约为1赫兹。同样的，铝棒从激发态回到基态时，受激辐射单个引力子的频率也是约1赫兹。也就是说，这个铝棒能够一秒钟吸收或辐射一个引力子。这个频率非常合适实验探测，因为既不会太快导致很多事件混在一起，又不是太慢使得人一生只能观察到几个事件。
	这个实验的关键有两点。第一点是，它必须和LIGO、VIRGO这样的引力波探测器进行交叉比对。因为LIGO、VIRGO知道扫过地球的引力波的频率，从而确定单个引力子的频率，这样就可以知道这个频率能不能使给定能级的基态原子跃迁到激发态。第二点是，必须确保1800公斤的铝棒里面绝大多数铝原子都处于基态。思路很简单，就是降温。在某些材料制作的棒子上，只需要10 mK就可以了，这完全在目前的技术水平之内。实验的误差主要来自热噪声，因为热噪声产生的信号和引力子激发产生的信号非常相似，容易以假乱真。不过没关系，我们只需要让预估的热噪声产生的激发事件率小于预估的引力子激发的事件率。如果我们仍然观测到预估的那么多事件，就说明在一定的置信度下，引力子激发的事件是存在的。根据此文的评估，所需的实验技术在不远的将来都能实现。
	将爱因斯坦的引力理论与量子力学融合，是当代物理学的主要未解问题之一。单引力子探测是对量子引力的直接证据，迄今为止被认为是不可能的任务。因此，Pikovski等人提出的实验可能成为量子引力研究的一个里程碑。
	此外，这篇文章标题中的量子传感（quantum sensing），又称为量子精密测量（quantum metrology），它正是我讲的最多的领域即量子信息的三个分支之一：量子通信、量子计算和量子精密测量。经典的韦伯棒测不出引力波，而量子的新韦伯棒居然有可能测出比引力波更弱的引力子，这是一个非常生动的例子，凸显出量子科技的巨大潜力。精密测量的未来，必然属于量子。