Kvantový Galileův interferometr poprvé přímo přečetl fázi volně padajícího atomu

Kvantový Galileův interferometr (Quantum Galileo Interferometer, QGI) převádí známý pokus s pádem těles do řeči kvantové mechaniky. Nejde jen o pozorování padajícího atomu: badatelé vytvořili dvě koherentní větve vlnového balíčku ultrachladného atomu rubidia-87. Jedna zůstala nehybná vůči laboratoři, druhá byla vystřelena vzhůru a následně volně padala. Když se obě větve znovu spojily, jejich interference odhalila fázový rozdíl nasbíraný po obou drahách. 1

Jeden atom, dvě současné historie

Tým pomocí řízení závislého na vnitřním stavu atomu vytvořil prostorovou superpozici vlnového balíčku. Magnetické pole podpíralo jednu větev proti gravitaci, takže vůči laboratornímu rámce zůstala na místě. Druhá větev dostala hybnostní impulz a byla připravena ve stavu necitlivém na magnetický gradient; poté sledovala balistickou dráhu danou zemskou gravitací. 1515

Po přesně řízené době vývoje se větve opět spojily. Interference převádí jinak neviditelný rozdíl kvantových fází na měřitelný signál. Právě to je základní úloha atomového interferometru: porovnat fáze, které tentýž kvantový objekt získá při dvou koherentních „historiích“.

Pro volně padající větev zahrnuje teoretická předpověď člen úměrný

[
\frac{m g^2 T^3}{6\hbar},
]

vedle členu závislého na poloze. Symbol (m) označuje hmotnost atomu, (g) gravitační zrychlení, (T) dobu volného vývoje a (\hbar) redukovanou Planckovu konstantu. Naměřená relativní fáze s touto předpovědí souhlasila. 1

Proč je nehybná větev zásadní

Atomové interferometry už dlouho slouží k měření gravitace, zrychlení i gravitačně vyvolaných fázových posunů. Zvláštností QGI je však přímé srovnání vlnového balíčku ve volném pádu se současně existujícím referenčním balíčkem, který zůstává nehybný v laboratorním rámci na Zemi. 1

Takové uspořádání míří přímo na fázi, která souvisí s popisem padající kvantové vlny vzhledem k laboratoři. Autoři naměřenou fázi vykládají jako kvantový protějšek transformace mezi podpíranou laboratoří a spolu padajícím rámcem, kterou implikuje Einsteinův princip ekvivalence. 1

Tvrzení o „prvním“ měření je proto nutné chápat přesně. Neznamená první pozorování gravitace v atomovém či jiném interferometru hmotných vln. Týká se tohoto přímého porovnání nehybné a volně padající větve a měření předpovězené kvantové fáze volného pádu. 1

Co výsledek potvrzuje

Výsledek podporuje soulad běžného vývoje kvantové fáze s principem ekvivalence v pozemském nízkoenergetickém režimu experimentu. Jednoduše řečeno: volně padající vlna hmoty se chovala tak, jak se očekává, pokud gravitaci popíšeme prostřednictvím vztahu mezi laboratorním a spolu padajícím vztažným rámcem. 1

Jde o důležitý přesný test na rozhraní gravitace a kvantové fyziky. Za daných podmínek se testovaná kvantová předpověď i důsledek Einsteinovy teorie shodují.

Co tento experiment neprokazuje

Experiment nesjednocuje kvantovou mechaniku s obecnou relativitou. Neukazuje ani to, že gravitace je kvantové pole, že existují gravitony nebo že gravitace zprostředkovává kvantové provázání. V tomto uspořádání gravitace vystupuje jako vnější klasické pole, které řídí pohyb atomu; měří se kvantová fázová odezva atomu na toto pole. 116

Výsledek také není univerzálním důkazem, že jsou vyloučeny všechny myslitelné modely porušující princip ekvivalence. Shoda s předpovědí omezuje možné odchylky v testovaném režimu, ale k rozlišení jiných alternativních modelů mohou být nutné jiné experimenty. 1

Proč nejde o test gravitačního kolapsu vlnové funkce

Návrhy spojované s Lajosem Diósim a Rogerem Penrosem řeší jinou otázku: zda by dostatečně hmotný objekt v prostorové superpozici nemohl ztrácet koherenci vlivem jevů spojených s gravitací. Takové hypotézy motivují experimenty, které zvětšují hmotnost objektu, vzdálenost mezi větvemi superpozice i dobu, po kterou se podaří koherenci zachovat. 316

QGI naopak ukazuje koherentní interferometrii jediného atomu a měří očekávanou fázi, zatímco atom koherentní zůstává. Atom rubidia v krátkém interferometru není makroskopickou, dlouho žijící prostorovou superpozicí, kterou by bylo třeba vytvářet pro citlivý test modelů gravitačně souvisejícího kolapsu. Samotné pozorování interference proto tyto návrhy ani nepotvrzuje, ani nevylučuje.

Další krok: těžší kvantové objekty

Budoucí experimenty s hmotnějšími částicemi — například s nanodiamanty a jinými mezoskopickými systémy — chtějí rozšířit kvantovou superpozici do režimů, kde by případné odchylky od standardní kvantové mechaniky mohly být snáze zjistitelné. Mohly by testovat konkrétní modely dekoherence či nové fyziky spojené s gravitací, technicky však zůstávají mimořádně náročné. 16

QGI je doplňující milník: nabízí způsob, jak přímo číst kvantovou fázi spojenou s volným pádem vůči nehybné laboratorní referenci. Interferometry s těžšími objekty sledují jiný, ale příbuzný cíl — ověřit, zda se sama kvantová koherence nemění s rostoucí hmotností, prostorovým rozdělením větví a dobou vývoje. 116