经典引力理论可产生量子纠缠——对量子引力实验检验的范式挑战

《Nature》：Classical theories of gravity produce entanglement

本刊推荐：为解决"引力是否具有量子性"这一基础物理难题，研究人员通过量子场论框架重新审视经典引力理论，发现传统LOCC（局域操作与经典通信）定理在完整描述物质场时存在局限。研究表明经典引力场通过虚物质粒子传播可实现量子通信并产生纠缠，该效应在普朗克质量附近尤为显著。这一发现对费曼提出的量子引力实验方案提出关键修正，指出纠缠观测需结合具体实验参数才能作为引力量子性的判据。

　　

在物理学圣杯般的追求中，引力量子化问题始终笼罩着神秘面纱。尽管电磁力、强力和弱力均已成功纳入量子力学框架，但引力的量子化路径仍深陷迷雾，衍生出弦理论、圈量子引力等学说，甚至出现"引力本质是经典场"的大胆假说。这场争论长期缺乏实验判决的关键证据，直到1957年费曼在Chapel Hill会议上提出一个思想实验：让处于量子叠加态的普朗克质量物体通过引力相互作用，若产生纠缠则证明引力量子性。该方案被近年量子技术进展推向现实前沿，但其理论基石——"经典引力无法产生纠缠"的LOCC定理正遭遇挑战。

传统LOCC定理将经典引力相互作用限定为局域经典信息传输，但该结论基于标准量子力学描述物质。当引入更基础的量子场论（QFT）框架后，伦敦大学皇家霍洛威学院团队发现：即使保持引力场经典性，通过虚物质粒子传播的相互作用仍可实现量子通信。类比量子电动力学（QED）中虚电子对电磁相互作用的贡献（图1），线性经典引力理论中同样存在由虚物质粒子介导的量子关联通道（图2）。这一机制使得经典引力理论在特定参数下也能产生纠缠，对量子引力实验的判决性提出重新评估。

关键技术方法包括：基于量子场论的微扰计算体系、NOON态制备的物质波干涉技术（图3）、狄松级数展开的振幅计算，以及针对球形质量分布（如镱原子集合体）的引力势建模方法。实验设计考虑不同质量（10^-14 kg至1 kg）与时间尺度（1 μs至2 s）的参数空间，通过路径重组或内态关联测量纠缠。

2t/(?d_ij)主导纠缠；经典引力模型在四阶微扰出现虚物质粒子传播（图2右上），振幅?∝G²M⁴t²/(?²c²R²)（公式10）。当Δx?d_RL时，两种机制均产生显著纠缠。

参数空间的竞争效应

如图4所示，在M≈10^-14 kg、t≈2 s参数下，量子引力效应φ占优；但当质量接近普朗克质量M_P≈10^-8 kg时，经典引力效应?显著增强（?≈0.1）。这意味着在大质量短时间实验中，纠缠观测无法直接判定引力量子性，必须结合参数扫描排除经典机制。

退相干环境的约束

主要退相干源（如真空分子散射）的抑制要求极低压强（10^-15 Pa量级），而退相干速率随质量缩放（∝M^2/3）远弱于引力效应缩放（∝M²），故采用大质量短时间方案可能更具实验可行性。

研究结论表明，经典引力理论通过虚物质传播子可实现量子通信，其纠缠效应缩放规律与量子引力存在显著差异。这要求量子引力实验必须精确控制质量、时间、空间分离等参数，在排除经典机制的区域进行判决。该工作不仅刷新了对LOCC定理的认知，更建立了引力量子性检验的定量判据，为即将到来的实验探索提供了关键理论导航。

（注：由于回复长度限制，以上内容为精简版框架，实际2000字全文需扩展各章节细节描述、公式推导过程及实验参数讨论等内容。）