Общая теория относительности (ОТО) хорошо работает, если надо объяснить феномены космического масштаба, вроде гравитационных волн, вызванных столкновением черных дыр. Квантовая теория отлично описывает феномены на уровне частиц, например, поведение отдельных атомов. Однако удовлетворяющего ученых способа сочетания этих двух теорий пока не найдено. Отчасти из-за очень сложных математических вычислений. Отчасти — из-за проблем с проведением подходящих экспериментов: необходимо придумать ситуацию, в которой играют важную роль и феномены теории относительности, и становятся видимыми квантовые эффекты.

Физики из Технического университета Вены разработали новый подход к этой проблеме — так называемый квантовый симулятор. Вместо того чтобы исследовать систему квантовых частиц в искривленном пространстве-времени непосредственно, они предлагают создать «модельную систему», которая позволяет получать информацию о заинтересовавшей ученых системе по аналогии, пишет Science Daily.

Суть идеи квантового симулятора проста: многие физические системы похожи. Даже если они состоят из совершенно разных частиц или у них разный масштаб, они подчиняются одним и тем же законам и равенствам. Следовательно, изучая одну систему, можно кое-что узнать о другой.

Ученые использовали квантовый симулятор для исследования кривизны пространства-времени. В вакууме свет движется вдоль так называемого светового конуса. Скорость света постоянная величина. Однако если на свет воздействует большая масса, конусы света изгибаются. Траектории движения лучей больше не являются идеально прямыми в искривленном пространстве-времени. Это явление называется эффектом гравитационной линзы.

То же теперь можно показать в ультрахолодном атомном облаке, взяв вместо скорости света скорость звука и управляя им с помощью электромагнитных полей. Таким образом, у ученых появился эффект, который соответствует кривизне пространства-времени, но в то же время, это квантовая система, которую можно описать с помощью теории квантовых полей. Другими словами, появился совершенно новый инструмент изучения связи между относительностью и квантовой теорией.

Недавний эксперимент со сверхпроводящими кубитами продемонстрировал, что квантовая механика нарушает так называемый локальный реализм, так как позволяет двум объектам вести себя как единая квантовая система, вне зависимости от того, какое расстояние их разделяет. Это не первый подобный эксперимент, но впервые ученые использовали сверхпроводящие схемы, которые считаются потенциальными кандидатами на роль мощных квантовых компьютеров будущего.