Program NIAC se zaměřuje na podporu nadějných konceptů, které jsou sice jen v začátcích vývoje, ale skýtají do budoucna značný potenciál. Program NIAC jim dává podmínky pro rozvoj, vyhledání slabých míst a jejich řešení, ale i pro ověření samotné realizovatelnosti daného konceptu. Stejné je to i projektu SUPREME-QG, který si dnes představíme, za kterým stojí jako hlavní předkladatel Selim Shahriar z Northwestern University ve městě Evanston ve státě Illinois.

Pokroky ve fyzice bývaly z velké části poháněny vývojem a prověřováním nových teorií, které sjednocují odlišné základní síly přírody. Například James Clerk Maxwell přinesl do fyziky revoluci svou sjednocenou teorií elektřiny a magnetismu. Standardní model částicové fyziky poskytuje konzistentní popis všech základních sil (elektromagnetické, silné i slabé) s výjimkou gravitace. Hlavní překážkou pro dokončení tohoto sjednodovacího úkolu je skutečnost, že obecnou relativitu, současnou teorii gravitace, v současnosti neumíme sjednotit s kvantovou mechanikou. Existují již některé návrhy na teorii kvantové gravitace, které popisují úpravy obecné relativity i kvantové mechaniky takovým způsobem, aby byly navzájem konzistentní. Avšak žádná z potenciálních teorií kvantové gravitace zatím nebyla úspěšně experimentálně otestována.

Testy teorií kvantové gravitace představují pravděpodobně největší výzvu, které čelí současná fyzika. Nejnadějnějším způsobem, jak teorie kvantové gravitace otestovat, je hledání narušení principu ekvivalence, základního principu obecné relativity, který říká, že všechny objekty zažívají v gravitačním poli stejné zrychlení. Narušení principu ekvivalence je charakterizováno nenulovým Eötvösovým parametrem Eta, který je definován jako poměr relativního zrychlení k průměrnému zrychlení, které zažívají dva objekty s různou setrvačnou hmotností v gravitačním poli.

Narušení principu ekvivalence na úrovní Eta < 10^-18 se vyskytuje v mnoha verzích teorie kvantové gravitace (např. v teorii strun). Dosud nejpřesnější test principu ekvivalence byl proveden v rámci kosmického experimentu MICROSCOPE, který využíval klasické akcelerometry, což omezovalo hodnotu Eta na <1.5×10^-15. Autoři projektu SUPREME-QG navrhují využití radikálně nové metody, která pro otestování principu ekvivalence s extrémní přesností využije kvantové provázání. Tímto způsobem by mělo být možné při použití kosmické platformy dosáhnout úrovně Eta ~ 10^-20.

Nová metoda je popsána ve vědeckém článku stejných autorů (PRD 108, 024011, ’23). Využívá simultánní interferometry atomů ve stavu Schrödingerovy kočky se dvěma izotopy rubidia (atomové číslo 37). Stav Schrödingerovy kočky, který se skládá z N=10⁶ atomů a je maximálně provázaným kvantovým stavem generovaným pomocí spinového stlačení chladných atomů v optické dutině, funguje jako jediná částice v superpozici dvou kolektivních stavů, čímž zvyšuje citlivost o faktor ~root(N)=10³. Takové stavy Schrödingerovy kočky s velkým N jsou obtížné na vytvoření a dosud nebyly pozorovány, natož aby byly využity pro přesnou metrologii. V další nedávné práci autoři popsali nový protokol, konkrétně protokol generalizovaného echo squeezingu, který má překonat výzvy spojené s vytvořením takového stavu (PRA 107, 032610, ’23).

Autoři chtějí demonstrovat funkčnost této metody na testovacím stanovišti, aby mohli dále navázat kosmickou misí schopnou testovat princip ekvivalence na úrovni Eta ~ 10^-20. Pokud bude pozorováno narušení principu ekvivalence, verze teorie kvantové gravitace, která by nejvíce odpovídala výsledku, by tvořila základ pro kompletní teorii popisující vesmír, včetně jeho zrodu: Velkého třesku. Nulový výsledek by donutil fyziky vymyslet zcela nový přístup k řešení neslučitelnosti obecné relativity a kvantové mechaniky, což by zásadně změnilo směr teoretické fyziky. Každý z těchto výsledků by představoval jeden z největších pokroků v naší cestě k pochopení přírody. Interferometry atomů se stavy Schrödingerovy kočky také slibují revoluční zlepšení přesnosti gravitační kartografie a inerciální navigace, pokud by byly nakonfigurovány na simultánní sledování akcelerace a rotace.

Citlivost takového senzoru pro průměrný čas jedné sekundy by byl cca ~0.9 femto-g pro zrychlení a ~0.5 pico-stupně/hodinu pro sledování rotace. To by představovalo zlepšení o faktor ~10⁵ oproti nejlepšímu konvenčnímu akcelerometru a ~10⁶ oproti nejlepším konvenčním gyroskopům. Díky tomu by interferometr atomů se stavy Schrödingerovy kočky našel široké uplatnění v obranném i nevojenském sektoru, včetně průzkumu hlubokého vesmíru, a pro inerciální navigaci. Vesmírný interferometr atomů se stavy Schrödingerovy kočky by byl schopen provádět gravitační kartografii s mnohem větším rozlišením, než jakého je dosaženo pomocí družic GRACE-FO.

Přeloženo z:
https://www.nasa.gov/

Zdroje obrázků:
https://www.nasa.gov/wp-content/uploads/2025/01/niac-2025ph1-shahriar.png