Kvantový Galileův interferometr změřil gravitační fázi padajícího atomu

Mezinárodní tým vedený výzkumníky z Ben Gurionovy univerzity v Negevu, Univerzity v Ulmu a Oxfordské univerzity použil Kvantový Galileův interferometr k přímému změření fáze, kterou v gravitačním poli získává volně padající atomová vlna.

Výsledek souhlasil s předpovědí, jež vznikne při důsledném spojení běžné kvantové mechaniky s Einsteinovým principem ekvivalence. Jde o důležitý test univerzálnosti gravitace v kvantovém režimu — nikoli však o důkaz, že gravitace už byla kvantována, ani o sjednocení obecné relativity s kvantovou mechanikou. 10

Jak experiment fungoval

Vědci nejprve ochladili atomy rubidia na ultranízké teploty, blízké absolutní nule. Poté koherentně rozdělili vlnovou funkci každého atomu do dvou prostorově oddělených vlnových balíčků.

• Jeden balíček byl magneticky udržován přibližně nehybný vzhledem k laboratoři.
• Druhý byl vypuštěn a mohl volně padat.
• Následně vědci obě větve znovu spojili a odečetli jejich relativní interferenční fázi. 10

Obě větve atomové vlny tak měly odlišný pohyb i odlišnou „gravitační historii“. Naměřený fázový rozdíl izoloval právě fázi, kterou má podle teorie získat volně padající kvantový vlnový balíček. 10

V nízkoenergetickém režimu experimentu výsledek odpovídá principu ekvivalence: pro volně padající objekt lze lokálně gravitaci považovat za odstraněnou. Ve srovnání s referenční větví, která je vůči laboratoři podepřena, ale zůstává předpovězený gravitační příspěvek k relativní fázi patrný. 10

Co tím bylo potvrzeno — a co ne

Experiment podporuje platnost principu ekvivalence i pro prostorově delokalizovaný kvantový objekt. Jeden atom rubidia může být v koherentní superpozici dvou prostorových stavů a přesto vykazovat fázový efekt volného pádu, který očekává Einsteinovská gravitace. 10

To ale neznamená, že tým sjednotil kvantovou mechaniku a obecnou relativitu. Výpočet pracuje s gravitačním polem jako s daným klasickým pozadím, zatímco kvantově je popisován atom. Jde o standardní a v nízkoenergetické fyzice mimořádně úspěšný postup. 10

Experiment rovněž neukazuje, že gravitace je kvantové pole nebo že sama přenáší kvantovou informaci. Přesvědčivý test této otázky by vyžadoval například pozorování provázání, které by gravitace vytvořila mezi dvěma nezávisle ovládanými hmotami, a zároveň důkladné vyloučení negravitačních vazeb i alternativních modelů. Žádný experiment zatím neposkytl jednoznačný důkaz kvantové povahy gravitace. 4

Proč nejde o test Penroseova kolapsu

Návrh Rogera Penrose na objektivní redukci předpokládá, že prostorová superpozice může samovolně ztratit koherenci, pokud soupeřící rozložení hmoty vytvářejí dostatečně velkou gravitační vlastní energii. U větších a více vzdálených rozložení hmoty by se předpokládaná doba kolapsu zkracovala.

Tento experiment však pracoval s jednotlivými atomy a měřil koherentní fázi v režimu vzdáleném masivním, dlouho žijícím prostorovým superpozicím, kde by takový kolaps mohl být měřitelný. 5

Pozorování očekávané fáze proto není totéž jako změření — nebo přísné omezení — neobvyklé ztráty viditelnosti interference v závislosti na hmotnosti, vzdálenosti drah a době jejich udržení. Navíc by bylo nutné bezpečně odlišit hypotetickou gravitační ztrátu koherence od běžné dekoherence způsobené šumem, srážkami, zářením, magnetickým rušením či technickými nedokonalostmi.

Proč jsou zajímavé nanodiamanty

Autoři popisují Kvantový Galileův interferometr jako krok k interferometrii typu Stern–Gerlach s nanodiamanty namísto atomů. Tyto částice by mohly být podstatně hmotnější. Zabudovaný dusíko-vakanční (NV) spin by mohl sloužit k vytvoření, řízení i odečtu jejich prostorové superpozice. 10

Navrhované čipové programy magnetické levitace a tvorby superpozic cílí na částice o hmotnosti zhruba (10^{-19}) až (10^{-15}) kg. To by výrazně rozšířilo rozsah hmotností, u nichž lze testovat zachování kvantové koherence. 12

Pokud by velké a dobře izolované superpozice nanodiamantů přetrvaly déle, než dovoluje konkrétní model kolapsu, takový model by to omezilo. Pokud by koherence naopak mizela, bylo by nejprve nutné vyloučit běžné zdroje dekoherence, než by bylo možné připsat efekt gravitaci. 5

V čem se liší test na stanici Tchien-kung

Experiment na čínské kosmické stanici Tchien-kung je doplňkový, nikoli duplicitní. Využívá dvoudruhový atomový interferometr s izotopy (^{85})Rb a (^{87})Rb na oběžné dráze a porovnává jejich zrychlení při volném pádu. Jde o kvantový test slabého principu ekvivalence, tedy univerzálnosti volného pádu, prováděný ve vesmíru. 12

• Tchien-kung se ptá, zda různé atomové druhy či izotopy padají ve stejném gravitačním poli stejně.
• Kvantový Galileův interferometr se ptá, zda jediná atomová vlna v koherentní superpozici získá vůči nepadající referenční větvi přesně předpovězenou fázi volného pádu. 10

Oba experimenty podporují standardní fyziku principu ekvivalence v atomových kvantových pokusech. Ani jeden z nich ale sám o sobě nedetekuje kvantovanou gravitaci. 1012

Střízlivý závěr

Tvrzení o laboratorních „signálech kvantové gravitace“ vyžadují mimořádnou opatrnost. I navrhované projevy gravitačně zprostředkovaného provázání jsou předmětem teoretické debaty: novější práce ukazují, že za předpokladů odlišných od obvyklých vět o nemožnosti mohou efekty podobné provázání reprodukovat i některé rámce klasické gravitace. 911

Nejpřesnější interpretace výsledku je proto úzká, ale podstatná: Kvantový Galileův interferometr čistě a přímo pozoroval gravitačně předpovězenou kvantovou fázi. Neoznámil objev kvantové gravitace.