Πόσο μεγάλος μπορεί να είναι ο κβαντικός κόσμος; Οι φυσικοί διερευνούν τα όρια.

Είναι ένα απλό κομμάτι ύλης - ένα κομμάτι κρυστάλλου πυριτίου όχι μεγαλύτερο από έναν ιό, που αιωρείται σε μια δέσμη φωτός. Αλλά είναι σχεδόν τόσο ακίνητο όσο το επιτρέπουν οι νόμοι της φυσικής.

Δύο ομάδες ερευνητών, στην Αυστρία και την Ελβετία, κατάφεραν ανεξάρτητα να παγώσουν τέτοια μικροσκοπικά νανοσωματίδια, μόλις 100 έως 140 νανόμετρα, σχεδόν εξ ολοκλήρου στην κβαντική τους κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας, δίνοντάς τους ουσιαστικά μια θερμοκρασία μόλις μερικά εκατομμυριοστά του βαθμού πάνω από την απόλυτη μηδέν — και στερεώστε τα στη θέση τους με απίστευτη ακρίβεια.

Κρατώντας ένα νανοσωματίδιο τόσο σφιχτά σε ένα μόνο σημείο είναι μόνο η αρχή. Ο στόχος είναι να τεθούν αυτά τα αντικείμενα σε μια λεγόμενη κβαντική υπέρθεση — όπου είναι αδύνατο να πούμε, πριν τα μετρήσουμε, ακριβώς πού βρίσκονται. Ένα σωματίδιο σε μια υπέρθεση θα μπορούσε να βρεθεί σε ένα από δύο ή περισσότερα μέρη και απλά δεν ξέρετε ποιο από αυτά θα είναι μέχρι να το κοιτάξετε. Είναι ίσως το πιο εκπληκτικό παράδειγμα του τρόπου με τον οποίο η κβαντική μηχανική φαίνεται να επιμένει ότι ο οικείος μας κόσμος των αντικειμένων με συγκεκριμένες ιδιότητες και θέσεις δημιουργείται μόνο μέσω της εξέτασης του.

Οι υπερθέσεις υποατομικών σωματιδίων, ατόμων και των χωρίς μάζα «σωματιδίων» φωτός που ονομάζονται φωτόνια είναι καλά καθιερωμένες. Αλλά επειδή τέτοια κβαντικά φαινόμενα τείνουν να διαταράσσονται πολύ εύκολα όταν τα σωματίδια αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον τους, η δημιουργία υπερθέσεων γίνεται γρήγορα πιο δύσκολη καθώς τα αντικείμενα μεγαλώνουν και βιώνουν περισσότερες αλληλεπιδράσεις. Αυτές οι αλληλεπιδράσεις τείνουν να καταστρέφουν σχεδόν ακαριαία μια υπέρθεση και να αφήνουν το αντικείμενο με μοναδικές, καλά καθορισμένες ιδιότητες.

Παρόλα αυτά, οι ερευνητές αυξάνουν σταθερά το μέγεθος στο οποίο μπορούν ακόμα να παρατηρηθούν οι υπερθέσεις και τα σχετικά κβαντικά αποτελέσματα - από σωματίδια σε μικρά μόρια, μετά μεγαλύτερα μόρια και τώρα, ελπίζουν, σβώλους ύλης νανοκλίμακας. Κανείς δεν ξέρει πόσο μακριά μπορεί να συνεχιστεί καταρχήν αυτή η επέκταση της κβαντικότητας. Υπάρχει —όπως πιστεύουν ορισμένοι— κάποιο όριο μεγέθους στο οποίο απλώς εξαφανίζεται, ίσως επειδή η κβαντική συμπεριφορά είναι ασυμβίβαστη με τη βαρύτητα (η οποία είναι αμελητέα για άτομα και μόρια); Ή δεν υπάρχει κανένα θεμελιώδες όριο στο πόσο μεγάλο μπορεί να είναι το κβαντικό;

Αυτά τα ερωτήματα υπήρχαν σε όλη την μακρόχρονη ιστορία της κβαντικής θεωρίας. Τώρα, για πρώτη φορά, οι ερευνητές βρίσκονται στο κατώφλι να μπορέσουν να τους απαντήσουν - και ίσως να υποδείξουν τον δρόμο προς την περιγραφή του τρόπου με τον οποίο η βαρύτητα ταιριάζει στον κβαντικό κόσμο. «Δουλεύω σε μακροσκοπικές υπερθέσεις για 10 χρόνια», είπε ο κβαντικός θεωρητικός Oriol Romero-Isart του Πανεπιστημίου του Ίνσμπρουκ στην Αυστρία, ένας από τους ηγέτες στον τομέα, «αλλά τώρα βρισκόμαστε σε μια πολύ επίκαιρη στιγμή. ” Τα επόμενα χρόνια, ενδέχεται να ανακαλύψουμε εάν ο κόσμος είναι κβαντικός ή όχι μέχρι το τέλος.

Ένα κβαντικό σωματίδιο σε μια υπέρθεση, σε αντίθεση με την κοινή πεποίθηση, δεν βρίσκεται πραγματικά σε δύο (ή περισσότερες) καταστάσεις ταυτόχρονα. Αντίθετα, μια υπέρθεση σημαίνει ότι υπάρχουν περισσότερα από ένα πιθανά αποτελέσματα μιας μέτρησης. Για ένα αντικείμενο σε καθημερινή κλίμακα, που περιγράφεται από την κλασική φυσική, δεν έχει νόημα - είναι είτε εδώ είτε εκεί, κόκκινο ή μπλε. Αν δεν μπορούμε να πούμε ποιο είναι, αυτό οφείλεται απλώς στην άγνοιά μας:Δεν έχουμε κοιτάξει. Αλλά για τις κβαντικές υπερθέσεις, απλώς δεν υπάρχει σαφής απάντηση — η ιδιότητα της «θέσης» είναι ασαφής.

Εάν, ωστόσο, βλέπουμε μόνο το ένα ή το άλλο αποτέλεσμα όταν κοιτάμε, πώς μπορούμε να γνωρίζουμε ότι το σωματίδιο ήταν σε υπέρθεση πριν κοιτάξουμε; Η απάντηση είναι ότι εφόσον δεν προσπαθούμε να μάθουμε ποιο είναι το αποτέλεσμα - εφόσον δεν μετράμε αυτήν την ιδιότητα - οι δύο (ή περισσότερες) εναλλακτικές που ενσωματώνονται με κάποιο τρόπο στην υπέρθεση μπορούν να παρεμβαίνουν η μία στην άλλη, απλώς σαν δύο κύματα. Αυτή η κυματιστή συμπεριφορά ενσωματώνεται σε μια μαθηματική οντότητα που ονομάζεται συνάρτηση κύματος, η οποία κωδικοποιεί όλα όσα μπορούμε να πούμε για το σωματίδιο.

Η κβαντική παρεμβολή παρατηρείται πιο διάσημα όταν ένα σωματίδιο διέρχεται από δύο στενές σχισμές σε μια οθόνη. Αν δεν κοιτάξουμε να δούμε από ποια σχισμή περνά το σωματίδιο, τότε το σωματίδιο θα συμπεριφέρεται σαν κύμα νερού και η κυματική του λειτουργία θα εξαπλωθεί και στις δύο σχισμές ταυτόχρονα, δημιουργώντας ένα μοτίβο παρεμβολής.

Αλλά αν τοποθετήσουμε μια συσκευή μέτρησης από μια σχισμή για να μας πει εάν κάθε σωματίδιο πέρασε από αυτήν ή όχι — για να παρατηρήσει τη διαδρομή του σωματιδίου — τότε το μοτίβο παρεμβολής εξαφανίζεται.

Πόσο μεγάλα μπορούν να γίνουν τα αντικείμενα και να συμπεριφέρονται ως παρεμβαλλόμενα «κύματα ύλης»; Ο κβαντικός φυσικός Anton Zeilinger και οι συνεργάτες του στο Πανεπιστήμιο της Βιέννης μελέτησαν αυτό το ερώτημα το 1999 με ένα πείραμα διπλής σχισμής χρησιμοποιώντας μόρια άνθρακα που ονομάζονται φουλερένια (C₆₀ ), κατασκευασμένο από ακριβώς 60 άτομα άνθρακα συνδεδεμένα σε εξαγωνικούς και πενταγωνικούς δακτυλίους όπως τα δερμάτινα μπαλώματα μιας μπάλας ποδοσφαίρου. Βρήκαν ένα σαφές μοτίβο παρεμβολής, αποδεικνύοντας ότι ακόμη και μόρια όπως το C₆₀ — σε πλάτος 0,7 νανόμετρα, πολύ μεγαλύτερο και βαρύτερο από ένα μεμονωμένο άτομο — θα μπορούσε να τεθεί σε υπέρθεση.

Ίσως εξίσου σημαντικό, συνέχισαν να μελετούν πώς εξαφανίστηκε αυτή η υπέρθεση.

Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ ενός κβαντικού σωματιδίου και γειτονικών σωματιδίων, όπως μόρια αερίου ή φωτόνια, εμπλέκουν και τα δύο αντικείμενα σε ένα είδος κοινής κβαντικής κατάστασης. Με αυτόν τον τρόπο, μια υπέρθεση του αρχικού σωματιδίου εξαπλώνεται στο περιβάλλον.

Μάλλον σαν μια σταγόνα μελάνης που διαχέεται και απλώνεται σε ένα ποτήρι νερό, αυτή η διάχυτη υπέρθεση καθιστά ολοένα και πιο δύσκολο να δεις το αρχικό, εκτός αν κοιτάξεις κάθε σημείο στο οποίο έχει απλωθεί και το ανακατασκευάσεις από αυτές τις πληροφορίες. Καθώς η εμπλοκή αναμειγνύει τη συνάρτηση κύματος του αρχικού υπερτιθέμενου σωματιδίου με εκείνες των γύρω σωματιδίων του, η κυματική συνάρτηση φαίνεται να χάνει τη συνοχή και να γίνεται απλώς μια μάζα ασυνάρτητων μικρών κυμάτων. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται αποσυνοχή και καθιστά την υπέρθεση μη ανιχνεύσιμη στο αρχικό αντικείμενο:Η κβαντική φύση της φαίνεται να εξαφανίζεται.

Η αποσυνοχή μιας κβαντικής υπέρθεσης συμβαίνει εξαιρετικά γρήγορα, εκτός εάν μπορούν να ελαχιστοποιηθούν οι αλληλεπιδράσεις του σωματιδίου με το περιβάλλον του - για παράδειγμα, ψύχοντάς το σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες για να μειωθεί η διασπαστική επίδραση της θερμότητας και διατηρώντας το αντικείμενο σε κενό για την εξάλειψη μοριακών συγκρούσεων . Όσο μεγαλύτερο είναι το αντικείμενο, τόσο περισσότερες αλληλεπιδράσεις είναι πιθανό να έχει και τόσο πιο γρήγορη αποσυνοχή συμβαίνει. Για έναν κόκκο σκόνης πλάτους περίπου 10 μικρομέτρων που επιπλέει στον αέρα, μια κατάσταση υπέρθεσης δύο θέσεων στο χώρο που χωρίζονται με περίπου το ίδιο πλάτος με τον ίδιο τον κόκκο εκτιμάται ότι θα αποσυντεθεί σε περίπου 10 δευτερόλεπτα — λιγότερο από το χρόνο που χρειάζεται για μια δέσμη φως για να ταξιδεύει στο πλάτος ενός πρωτονίου.

Η αποσυνοχή φαίνεται να είναι το κύριο εμπόδιο για να γίνουν κβαντικές υπερθέσεις μεγάλων αντικειμένων που διαρκούν αρκετά για να παρατηρηθούν. Τα πειράματα παρεμβολής με φουλερένια υποστήριξαν αυτήν την εικόνα. Η ομάδα της Βιέννης προέβλεψε ότι η παρεμβολή των σωματιδίων θα εξαφανιστεί σταδιακά καθώς αφήνουν ένα αέριο φόντου μέσα στον θάλαμο, όπου τα μόριά του θα συγκρούονταν με τα φουλλερένια και θα κατέστρεφαν τη συνοχή των κβαντικών κυμάτων τους. Αυτό ακριβώς είδαν.

Ένα από τα μέλη της ομάδας του Zeilinger ήταν ο Markus Arndt, ο οποίος συνέχισε την προσπάθεια να αυξήσει την κβαντική παρεμβολή τις τελευταίες δύο δεκαετίες. Το 2011, αυτός και η ομάδα του παρενέβησαν σε δέσμες οργανικών μορίων με βάση τον άνθρακα με έως και 430 άτομα το καθένα, με διάμετρο έως και 6 νανόμετρα. Το 2019, το έκαναν με μόρια περίπου 2.000 ατόμων. Στη συνέχεια, πέρυσι, δημιούργησαν μοτίβα παρεμβολής σε ένα βιολογικό μόριο — συγκεκριμένα, ένα φυσικό πεπτίδιο που ονομάζεται γραμμικιδίνη Α1 — παρόλο που αυτά είναι εύθραυστα μόρια για να υποβληθούν στις επίπονες συνθήκες των πειραμάτων παρεμβολής μοριακής δέσμης.

Ο Arndt λέει ότι στόχος του είναι να αυξάνει τη μάζα των σωματιδίων κατά 10 φορές κάθε χρόνο ή δύο. Αυτό σύντομα θα τους μεταφέρει στο μέγεθος και το εύρος μάζας βιολογικών αντικειμένων όπως οι ιοί. Εν τω μεταξύ, το 2009 ο Romero-Isart, τότε στο Ινστιτούτο Max Planck για την Κβαντική Οπτική στο Garching της Γερμανίας, και οι συνεργάτες του σκιαγράφησαν μια ιδέα για την αιώρηση των ιών σε μια οπτική παγίδα - όπου μικροσκοπικά αντικείμενα συγκρατούνται γρήγορα από τις δυνάμεις που προκαλούνται από έντονες, εστιασμένες δέσμες φωτός — και στη συνέχεια ωθήστε τις σε μια υπέρθεση δύο καταστάσεων δόνησης και αναζητήστε παρεμβολές μεταξύ τους.

Γιατί να σταματήσω εκεί; Οι ερευνητές υπέθεσαν ακόμη ότι θα κάνουν το ίδιο σε αναμφισβήτητα ζωντανούς οργανισμούς, όπως τα φαινομενικά εύρωστα μικρά ζώα που ονομάζονται tardigrades, τα οποία έχουν πλάτος περίπου ένα χιλιοστό και έχει βρεθεί ότι επιβιώνουν αρκετές ημέρες έκθεσης στο διάστημα. Οι ερευνητές έγραψαν ότι το σχέδιο θα τους επέτρεπε να δημιουργήσουν «καταστάσεις κβαντικής υπέρθεσης με το ίδιο πνεύμα με την αρχική γάτα του Schrödinger» — το διάσημο σκεπτικό πείραμα που αποσκοπούσε να τονίσει τον προφανή παραλογισμό των κβαντικών υπερθέσεων για μεγάλες (και ιδιαίτερα ζωντανές) οντότητες.

Η προοπτική να γίνουν πραγματικότητα οι παραλογισμοί του Σρέντινγκερ είναι μια αρχή εμψύχωσης πίσω από το έργο Q-Xtreme, μια συνεργασία μεταξύ των ομάδων του Markus Aspelmeyer του Πανεπιστημίου της Βιέννης, του Lukas Novotny και του Romain Quidant στο Ελβετικό Ομοσπονδιακό Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Ζυρίχης και του Romero- Isart.

Το 2019, τρεις από τις ομάδες, σε δύο ανεξάρτητες μελέτες, ανέφεραν ότι μπορούσαν να ψύξουν νανοσωματίδια πυριτίου με διάμετρο περίπου 100 έως 150 νανόμετρα, που περιέχουν περίπου εκατό εκατομμύρια άτομα, σχεδόν στην κβαντική τους κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας (εδαφική) ενώ τα διατηρούσαν σε οπτική παγίδα που παράγεται από ακτίνες λέιζερ.

Στη συνέχεια, πέρυσι, η ομάδα του Aspelmeyer ανέφερε ότι είχαν εισαγάγει τέτοια σωματίδια ακόμη πληρέστερα στη βασική κατάσταση, όπου οι δονήσεις του κρυσταλλικού πλέγματος των ατόμων είναι όσο το δυνατόν ελάχιστες. Στο απόλυτο μηδέν, το σωματίδιο θα ήταν εξ ολοκλήρου στη θεμελιώδη κατάσταση και η μόνη κίνηση που θα απομένει θα ήταν η λεγόμενη κίνηση στο σημείο μηδέν των ατόμων. Στο πείραμα του Aspelmeyer, το σωματίδιο βρισκόταν στη βασική του κατάσταση κατά μέσο όρο στο 70% του χρόνου.

Τώρα στα τελευταία τους πειράματα, ο Aspelmeyer και ο Novotny κατάφεραν να απαλλαγούν από την οπτική παγίδα - η οποία επηρεάζει την κβαντική συμπεριφορά του ελεύθερου σωματιδίου - έτσι ώστε να μπορούν να παρατηρήσουν το σωματίδιο "στην άγρια ​​φύση", όπως ήταν, αντί σε αιχμαλωσία. . Οι ερευνητές χρησιμοποιούν το φως λέιζερ για να μετρούν συνεχώς τη θέση του σωματιδίου και, στη συνέχεια, εφαρμόζουν ένα ηλεκτρικό πεδίο για να ωθήσουν το σωματίδιο έτσι ώστε να παραμείνει στην καθορισμένη θέση — όχι παγιδεύοντας, αλλά με ήπια ώθηση. Αυτή η προσέγγιση της «ενεργητικής ανάδρασης» καταστέλλει το θερμικό τίναγμα του σωματιδίου και το ψύχει σε εξαιρετικά χαμηλή θερμοκρασία.

Η ομάδα του Aspelmeyer λέει ότι η εξάπλωση στη θέση του σωματιδίου τους είναι μόνο 1,3 φορές μεγαλύτερη από την κίνηση στο σημείο μηδέν, που ισοδυναμεί με μια θερμοκρασία μόλις μερικών εκατομμυριοστών του Κέλβιν πάνω από το απόλυτο μηδέν. Ο Novotny και οι συνεργάτες του απέκτησαν συγκρίσιμη ψύξη με παρόμοια ρύθμιση.

Το επόμενο βήμα θα είναι να κάνετε μια υπέρθεση. Για να γίνει αυτό, οι ερευνητές θα χρειαστεί να ελέγξουν τρεις βασικές περιβαλλοντικές επιρροές. Πρώτον, πρέπει να εξαλείψουν κάθε θόρυβο στο δυναμικό ενεργής ανάδρασης. Στη συνέχεια, πρέπει να χρησιμοποιήσουν ένα πολύ υψηλό κενό - περίπου 10 millibar πίεσης - έτσι ώστε να μην υπάρχει σχεδόν τίποτα για να συγκρουστεί το σωματίδιο. Τέλος, πρέπει να σταματήσουν το σωματίδιο από το να ακτινοβολεί οποιαδήποτε φωτόνια - όπως κάνει κάθε θερμό αντικείμενο. Αν και το σωματίδιο είναι πολύ σφιχτά εντοπισμένο, σαν υπερκρύο, απορροφά αρκετά από τα φωτόνια που βουίζουν τριγύρω ώστε να είναι σε εσωτερική θερμοκρασία 1.000 βαθμών Κέλβιν περίπου, κάτι που θα το έκανε να ακτινοβολεί σαν καυτό πόκερ. Η καταστολή της αποσυνοχής που προκαλείται από αυτή την ακτινοβολία θα είναι δύσκολη, είπε ο Romero-Isart.

Η ανάγκη καταστολής της ακτινοβολίας από το σωματίδιο μιλά για ένα λεπτό αλλά κρίσιμο ζήτημα. Μια κβαντική υπέρθεση δεν καταστρέφεται επειδή έρχεται μια διαταραχή από το περιβάλλον και τη βάζει εκτός ισορροπίας. Αντίθετα, καταστρέφεται όταν διαρρέουν πληροφορίες σχετικά με τη θέση του αντικειμένου στο περιβάλλον όπου μπορεί να μετρηθεί — όπως ακριβώς καταστρέφεται η παρεμβολή σε ένα κβαντικό πείραμα διπλής σχισμής με τη μέτρηση των μονοπατιών σωματιδίων.

Εάν ένα μόριο αερίου αναπηδήσει από αυτό, ας πούμε, καταρχήν θα μπορούσατε να καταλάβετε πού βρίσκεται το σωματίδιο κοιτάζοντας την τροχιά του μορίου. Ή αν ακτινοβολεί φωτόνια, μπορείτε να δείτε πού βρίσκεται ακριβώς όπως μπορείτε να εντοπίσετε την εξώπορτά σας τη νύχτα από το φως στη βεράντα σας. Ωστόσο, στην περίπτωση της μπροστινής πόρτας σας, το φως αποκαλύπτει μόνο τη θέση της. Για κβαντικά αντικείμενα, το ακτινοβολούμενο φως το δημιουργεί.

Αυτή η ευαισθησία μιας υπέρθεσης στις αλληλεπιδράσεις με το περιβάλλον κάνει το πείραμα δύσκολο, αλλά μπορεί επίσης να είναι χρήσιμο. Για παράδειγμα, ένα σύστημα όπως αυτό θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη μελέτη του τρόπου με τον οποίο τα κβαντικά αντικείμενα χάνουν την κβαντικότητά τους μέσω της αποσυνοχής και στερεώνονται κλασικά σε ένα μέρος. «Οι μεγάλες υπερθέσεις είναι πολύ εύθραυστες και ευαίσθητες στην αποσυνοχή», είπε ο Romero-Isart — αλλά «η αποσυνοχή είναι κάτι που δεν καταλαβαίνουμε πλήρως». Έτσι, τα πειράματα θα μπορούσαν να δοκιμάσουν θεωρίες για το πώς συμβαίνει.

Οι ερευνητές ενδιαφέρονται ιδιαίτερα να εξετάσουν μια ιδέα για το πώς το κβαντικό γίνεται κλασικό. Αυτός ο διακόπτης έχει από καιρό περιγραφεί ως «κατάρρευση της κυματικής συνάρτησης»:Μια υπέρθεση δύο πιθανών καταστάσεων, ας πούμε, συμπτύσσεται σε μία μόνο από αυτές όταν μετράται. Αυτή η κατάρρευση προτάθηκε για πρώτη φορά από τον Ούγγρο μαθηματικό φυσικό John von Neumann τη δεκαετία του 1930 ως ad hoc τρόπος για να φτάσουμε από τις πιθανότητες που κωδικοποιούνται στην κυματική συνάρτηση στις καθορισμένες τιμές που παράγουν οι πραγματικές μετρήσεις. Ήταν ένα δόλο χωρίς πραγματική αιτιολόγηση από την ίδια τη θεωρία:μια μαθηματική ευκολία για να συμφιλιωθεί η θεωρία με αυτό που πραγματικά βλέπουμε.

Οι ιδέες για την αποσυνοχή και την αλληλεπίδραση με τη συσκευή μέτρησης έχουν πλέον αντικαταστήσει σε μεγάλο βαθμό τη μυστηριώδη ιδέα του von Neumann για μια απότομη κατάρρευση. Αλλά ορισμένοι ερευνητές έχουν προτείνει ότι η κατάρρευση είναι παρόλα αυτά μια πραγματική, φυσική διαδικασία που παράγει κλασική οριστικότητα από κβαντικές δυνατότητες. «Τα μοντέλα κατάρρευσης προβλέπουν καταστροφές της [τυποποιημένης] κβαντικής μηχανικής όταν έχουμε μεγάλες μάζες και μεγάλες υπερθέσεις», είπε ο Romero-Isart. "Η κβαντική μηχανική δεν έχει δοκιμαστεί σε αυτόν τον χώρο."

Αυτός και οι συνάδελφοί του στο Q-Xtreme ελπίζουν να δοκιμάσουν μοντέλα φυσικής κατάρρευσης, τα οποία προβλέπουν ότι οι μεγάλες υπερθέσεις θα έχουν μικρότερη διάρκεια ζωής από το αναμενόμενο. Συγκεκριμένα, ελπίζουν να διερευνήσουν τι συμβαίνει στην κβαντική μηχανική σε κλίμακες μεγέθους όπου η βαρύτητα έχει σημασία.

Αυτή τη στιγμή, η κβαντομηχανική φαίνεται ασύμβατη με τη σύγχρονη θεωρία της βαρύτητας, δηλαδή τη γενική σχετικότητα του Άλμπερτ Αϊνστάιν. Ο κβαντικός κόσμος είναι διακριτός και κοκκώδης, ενώ η σχετικότητα περιγράφει τον χωρόχρονο ως ομαλό και συνεχή. Συνήθως αυτή η διαφωνία μπορεί να αγνοηθεί, επειδή η κβαντομηχανική περιγράφει τα πολύ μικρά, ενώ η γενική σχετικότητα περιγράφει μεγάλα, ογκώδη αντικείμενα.

Αλλά ο Βρετανός μαθηματικός φυσικός Roger Penrose έχει προτείνει ότι σε ενδιάμεσες κλίμακες, όταν η κβαντική θεωρία συγκρούεται με τη γενική σχετικότητα, η τελευταία θα κερδίσει, καταστρέφοντας τα κβαντικά φαινόμενα. Σύμφωνα με τη γενική σχετικότητα, κάθε αντικείμενο που έχει σημαντικό βαρυτικό πεδίο παραμορφώνει τον χωροχρόνο. Αλλά ένα αντικείμενο σε μια υπέρθεση τοποθεσιών θα παράγει τότε δύο υπερτιθέμενους χωροχρόνους:μια κατάσταση που η γενική σχετικότητα δεν επιτρέπει. Έτσι, ο Penrose πιστεύει ότι η βαρύτητα θα ανάγκαζε μια επιλογή μεταξύ των εναλλακτικών.

Ο Aspelmeyer πιστεύει ότι η Q-Xtreme θα πρέπει επιτέλους να είναι σε θέση να δοκιμάσει θεωρίες όπως αυτή. «Στην κλίμακα του προγραμματισμένου πειράματός μας, όλα τα υπάρχοντα μοντέλα κατάρρευσης είτε θα αποκλειστούν είτε θα περιοριστούν σε καθεστώτα παραμέτρων που τα καθιστούν άνευ νοήματος», είπε.

Υπερθέσεις μαζών αρκετά μεγάλων για να μπει στο παιχνίδι η βαρύτητα θα μπορούσαν να διερευνήσουν κβαντικές πτυχές της ίδιας της βαρύτητας. Μια ιδέα για να γίνει αυτό είναι να χρησιμοποιηθεί η βαρυτική αλληλεπίδραση για να μπερδέψει τις μάζες. Το 2017, οι φυσικοί Sougato Bose του University College του Λονδίνου και Vlatko Vedral και Chiara Marletto από το Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης πρότειναν ανεξάρτητα πειράματα που θα μπορούσαν να κάνουν ακριβώς αυτό. Τέτοια πειράματα είναι «σούπερ συναρπαστικά αλλά πολύ δύσκολα», είπε ο Romero-Isart — αν και ο Vedral πιστεύει ότι θα μπορούσε να είναι εφικτό τα επόμενα 10 περίπου χρόνια.

Κανείς δεν ξέρει ακριβώς τι να περιμένει. «Μόλις μπορέσουμε να μελετήσουμε μια κατάσταση όπου η κβαντική θεωρία θα πρότεινε ότι ο ίδιος ο χωροχρόνος θα πρέπει να βρίσκεται σε μια υπέρθεση δύο μετρήσιμα διαφορετικών καταστάσεων», είπε ο Aephraim Steinberg, κβαντικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Τορόντο, «όλα τα στοιχήματα είναι άκυρα, και εμείς δεν έχουμε παρά να πειραματιστούμε για να μας καθοδηγήσουμε. Είναι λογικό να έχουμε ανοιχτό μυαλό στην πιθανότητα να ανακαλύψουμε κάτι νέο.»

Ο Vedral αναμένει ότι θα ανακαλύψουμε ότι η βαρύτητα (τουλάχιστον όταν δεν είναι εξαιρετικά ισχυρή) μπορεί πράγματι να περιγραφεί χρησιμοποιώντας την τυπική κβαντική θεωρία πεδίου, όπως και οι άλλες γνωστές δυνάμεις. Αλλά παραδέχεται ότι "κρυφά ελπίζω ότι θα αποτύχει, γιατί ως θεωρητικός θα ήθελες να συμβεί κάτι εξαιρετικό."

Η απόπειρα μεγάλων κβαντικών υπερθέσεων είναι μια win-win κατάσταση, είπε ο Bose. Αν διαπιστώσουμε ότι η φυσική κατάρρευση τους απαγορεύει, αυτό θα ήταν μια τεράστια ανακάλυψη σχετικά με τη θεμελιώδη φύση της κβαντικής μηχανικής. Αλλά αν, όπως πολλοί υποπτεύονται, δεν συμβεί φυσική κατάρρευση και ο κβαντικός κόσμος μπορεί απλώς να συνεχίσει να μεγαλώνει, τότε οι μεγάλες υπερθέσεις, με την εξαιρετική ευαισθησία τους σε πηγές αποσυνοχής, θα μπορούσαν να λειτουργήσουν ως πολύ ευαίσθητοι αισθητήρες. Οι φυσικοί Jess Riedel και Itay Yavin στον Καναδά, για παράδειγμα, έχουν προτείνει ότι τα κβαντικά συστήματα που είναι ευαίσθητα στα βαρυτικά φαινόμενα μπορεί να προσφέρουν έναν τρόπο αναζήτησης σωματιδίων σκοτεινής ύλης, τα οποία φαίνεται να αλληλεπιδρούν με τη συνηθισμένη ύλη μόνο μέσω της βαρύτητας. Η Bose, εν τω μεταξύ, ενδιαφέρεται να χρησιμοποιήσει τέτοια συστήματα ως ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων, που μέχρι στιγμής έχουν παρατηρηθεί μόνο με τη βοήθεια τεράστιων ανιχνευτών μεγέθους αρκετών χιλιομέτρων.

Με άλλα λόγια, η επέκταση της κβαντικής κλίμακας σε μεγέθη όπου η βαρύτητα έχει σημασία μπορεί να μας διδάξει νέα πράγματα για την κβαντική μηχανική, τη βαρύτητα και τις κρυφές πτυχές του σύμπαντος. Το έργο θα ωθήσει τις τεχνολογικές δυνατότητες στα άκρα, αλλά η ανταμοιβή μπορεί να είναι τεράστια. Και η τρέχουσα αναζωπύρωση του ενδιαφέροντος για τη δημιουργία κβαντικών φαινομένων όπως η υπέρθεση και η εμπλοκή σε μεγάλες κλίμακες δεν είναι τυχαίο φαινόμενο, είπε ο Arndt — γιατί αυτά ακριβώς θα χρειαστούν εάν πρόκειται να κλιμακώσουμε τους κβαντικούς υπολογιστές έτσι ώστε να έχουν πολλές χιλιάδες ή ακόμα και εκατομμύρια μπερδεμένα κβαντικά bit. "Οι κβαντικές τεχνολογίες θα λάβουν δεκάδες δισεκατομμύρια δολάρια επενδύσεων τα επόμενα χρόνια", είπε, "και θα έπρεπε να κατανοήσουμε καλύτερα τα θεμέλια της θεωρίας που κρύβονται πίσω από όλες αυτές τις τεχνολογικές ελπίδες."