史蒂文斯理工学院物理学家伊戈尔·皮科夫斯基（Igor Pikovski）及其合作者，正着手建设首个以捕捉单个引力子为目标的实验装置。引力子长期被认为几乎不可能被直接探测，该项目被研究人员视为量子引力研究进入新阶段的标志。
据介绍，研究团队认为，在不远的将来，有望在引力波中实验性地识别出单个引力子的特征。项目配图显示了相关设想的实验场景。图片来源：I. Pikovski。
量子理论与广义相对论的实验缺口
现代物理的两大基础——量子理论与爱因斯坦的广义相对论——在描述自然界时采用了截然不同的框架。量子理论以离散的量子粒子及其相互作用为核心，而广义相对论则将引力刻画为空间与时间的连续弯曲。
研究人员指出，要实现真正的统一，引力本身也需要具备量子属性，由被称为“引力子”的粒子来介导。然而，单个引力子的探测长期被视为在实验上不可行，量子引力问题因此主要停留在理论层面，尚未形成具有实验支撑的“万物理论”。
2024年提出可行探测方案
2024年，皮科夫斯基与来自史蒂文斯理工学院、斯德哥尔摩大学、冲绳科学技术研究院以及北欧理论物理研究所（Nordita）的研究人员共同提出，引力子的探测在原理上是可行的。
皮科夫斯基表示，长期以来，引力子探测“被认为毫无希望，根本未被视为实验问题”，但在当前量子技术快速发展的背景下，这一判断“已不再成立”。
研究团队给出的关键在于，将两项近年的实验进展结合起来：
- 一是引力波的直接探测，即由黑洞或中子星并合产生的时空涟漪；
- 二是量子工程方面的突破。过去十年，物理学家已经能够将越来越大质量的系统冷却、控制并测量到真正的量子态，使量子效应扩展到远超原子尺度。
2022年，耶鲁大学杰克·哈里斯（Jack Harris）教授团队在一项里程碑式实验中，实现了对纳克级超流氦振动量子的控制和测量。皮科夫斯基等人意识到，如果将引力波探测与这类宏观量子控制技术结合，理论上可以让经过的引力波向一个足够大质量的量子系统传递恰好一个能量量子，即单个引力子。
研究指出，由此引发的能量变化虽然极其微小，但在原理上可以分辨。真正的挑战在于，引力子与物质的相互作用极弱。不过，对于千克量级的量子系统，在暴露于由黑洞或中子星并合产生的强引力波时，吸收单个引力子被认为是可能的。
建设首个专用引力子探测实验
在上述理论工作的基础上，皮科夫斯基与哈里斯目前已联合开展实验项目，目标是搭建全球首个专门面向单个引力子探测的实验平台。
在W.M. Keck基金会资助下，团队正在开发厘米尺度的超流氦谐振器，力图逼近吸收来自天体引力波的单个引力子所需的实验条件。
哈里斯表示，研究人员“已经拥有了关键工具”，目前可以在宏观量子系统中探测单个量子，下一步的关键在于“规模的扩大”。
按照规划，实验将把克级的圆柱形谐振器浸没在超流氦容器中，将整个系统冷却至量子基态，并通过激光测量来探测单个声子——即由引力子转化而来的振动量子。
研究团队介绍，该探测器方案基于实验室中已有的系统，但将在两个方向上大幅推进：一是将系统质量扩展至克级，二是在此基础上保持极高的量子灵敏度。
如果该实验平台能够按设计稳定运行，将为后续迭代提供技术蓝图，使装置逐步达到直接探测单个引力子所需的灵敏度，被研究人员视为量子引力实验研究的重要新起点。
皮科夫斯基表示，量子物理学的起点是对光和物质的实验研究，而当前项目的目标，是将引力纳入类似的实验范畴，“像物理学家一个多世纪前研究光子那样研究引力子”。
