经典引力理论也能产生量子纠缠

尽管其他基本相互作用（电磁力、强核力和弱核力）已成功与量子理论统一，但引力的量子化标准方法却似乎失效了。这促使人们探索引力与量子理论统一的替代方案，包括弦理论、圈量子引力，以及认为引力根本无需量子化、本质上仍是经典理论的观点。目前，判断哪种方案正确仍缺乏关键的实验证据。1957年教堂山会议上，费曼提出了一个可揭示引力量子本质的思想实验，如今随着量子实验技术的快速发展，这一想法正逐渐变得可行。在费曼的设想中，一个普朗克质量（约0.02毫克）的物体被置于两个位置的量子叠加态（即同时处于两个位置的量子状态），然后与另一个质量发生引力相互作用。尽管从原始会议记录中无法明确费曼用于判断引力量子性质的确切测量方法，但如今，这一实验被普遍认为是要观察两个大质量物体之间是否产生“纠缠”（量子力学中粒子间的一种特殊关联），多项定理表明，符合物理现实的局域经典引力理论无法使大质量物体产生纠缠。这些定理的核心假设是：经典引力理论只能涉及局域操作和经典信息交换（即“局域操作与经典通信”，LOCC），因为非局域的超距作用不符合物理规律，且经典引力相互作用似乎自然无法传递量子信息。

大量实验方案已被提出用于观测这种引力诱导的纠缠，部分初步实验也在进行中。但对于纠缠是否真能作为量子引力的证据，学界存在争议，这些讨论常源于教堂山会议的启发，焦点多集中于经典引力是否能通过违反LOCC中的局域性（LO）来产生纠缠，但这与自然界中相互作用的局域性（如电磁力、标准模型或广义相对论）相悖，因此通常从物理角度被排除。

假设局域性成立（即LO部分），则争议转向经典通信（CC）部分。人们曾自然地认为经典引力理论应只涉及经典通信，这一点从未被质疑。但本研究表明，局域经典引力理论实际上可以产生量子通信，进而产生纠缠。此前关于经典引力仅能通过LOCC作用的定理，默认将物质描述为标准量子力学体系。然而，事实上物质遵循量子场论，当考虑这一点时，经典引力相互作用会自然产生量子通信。

为理解经典引力如何产生量子通信，研究先回顾了量子电动力学（QED）——描述电磁相互作用的最佳理论，其将物质和电磁场均纳入量子场论框架。类似地，低能量子引力可近似为线性广义相对论的量子化（微扰量子引力），其相互作用哈密顿量与QED类似，只是光子被引力子替代。而在经典引力理论中，引力场是经典的，其相互作用哈密顿量类似于QED中忽略电磁场量子性的近似，但此时虽无引力子，却仍存在虚物质传播子（传递相互作用的虚粒子），从而实现量子通信并产生纠缠，这与之前的定理结论不同，因为那些定理忽略了量子场论层面的虚物质传播子。

以费曼实验为例，两个大质量球体（总质量M、半径R）被制备在量子叠加态，仅通过引力相互作用。在量子引力中，二阶微扰下虚引力子交换产生纠缠；而在经典引力中，四阶微扰下虚物质传播子使两质量通过经典引力场实现量子关联，从而产生纠缠。计算表明，经典与量子引力产生的纠缠效应强度依赖于实验参数（如质量、作用时间、叠加态大小）：小质量长时实验中经典效应较弱，大质量短时实验中经典效应可能显著，因此仅观测到纠缠不足以证明引力量子性，实验设计需考虑这些参数差异。