Et faldende atom består Einsteins kvantetest

Quantum Galileo Interferometer, eller QGI, gør et velkendt tyngdeforsøg til en kvantesammenligning. I stedet for blot at se et atom falde skabte forskerne to sammenhængende grene af bølgefunktionen for et ultrakoldt rubidium-87-atom. Den ene blev holdt stationær i laboratoriets referenceframe, mens den anden blev sendt opad og derefter faldt frit. Da de to grene senere blev samlet igen, afslørede deres interferens den faseforskel, der var opbygget undervejs. 1

Ét atom, to bevægelser

Ved hjælp af tilstandsafhængig styring bragte holdet atomets bølgepakke i en rumlig superposition: Kvantebeskrivelsen rummer altså to mulige udviklinger på samme tid. Et magnetfelt modvirkede tyngdekraften for den ene gren, så den holdt sig i ro i laboratoriet. Den anden gren fik et momentumstød og blev placeret i en tilstand, der ikke reagerede på den magnetiske gradient. Derfor fulgte den en ballistisk bane under Jordens tyngdekraft. 1515

Efter en nøje kontrolleret tid blev grenene genforenet. Interferensen gør en ellers usynlig faseforskel målbar. Det er netop atominterferometerets funktion: at sammenligne den kvantefase, det samme objekt samler op langs to sammenhængende forløb.

For den fritfaldende gren indeholder den forudsagte fase blandt andet et led, der skalerer som

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

samt et led, der afhænger af positionen. Her er (m) atomets masse, (g) tyngdeaccelerationen, (T) tiden for den frie udvikling, og (\hbar) den reducerede Planck-konstant. Den målte relative fase stemte overens med denne forudsigelse. 1

Hvorfor den stationære reference er afgørende

Atominterferometre har længe været brugt til at måle tyngdekraft, acceleration og tyngdeinducerede faseskift. QGI skiller sig ud ved direkte at sammenligne en bølgepakke i frit fald med en samtidig stationær referencebølgepakke i Jordens laboratoriereferenceframe. 1

Det gør det muligt at isolere den fase, der opstår, når den faldende kvantebølge beskrives i forhold til laboratoriet. Forskerne fortolker den målte fase som kvantemodstykket til den transformation mellem et understøttet laboratorium og en fritfaldende referenceframe, som følger af Einsteins ækvivalensprincip. 1

Påstanden om at være den første må derfor forstås præcist: Det drejer sig om denne direkte sammenligning mellem stationær og fritfaldende bølgepakke og målingen af den forudsagte fritfaldsfase. Det er ikke den første observation af tyngdekraftens betydning i et atom- eller stofbølgeinterferometer. 1

Hvad resultatet bekræfter

Forsøget støtter, at almindelig kvantemekanisk faseudvikling er forenelig med ækvivalensprincippet under forsøgets jordnære forhold med lav energi. Kort sagt opførte den fritfaldende stofbølge sig som forventet, når tyngdekraften behandles gennem ækvivalensprincippets sammenhæng mellem referenceframes. 1

Det er en præcisionsmåling ved grænsen mellem tyngdekraft og kvantefysik. Den viser, at den undersøgte kvanteforudsigelse og den testede konsekvens af Einsteins teori passer sammen under disse betingelser.

Hvad forsøget ikke viser

Forsøget forener ikke kvantemekanikken med den generelle relativitetsteori. Det viser heller ikke, at tyngdekraften er et kvantefelt, påviser en graviton eller demonstrerer sammenfiltring, der formidles af tyngdekraften. I opstillingen fungerer tyngdekraften som et klassisk, ydre felt, der styrer atomets bevægelse; det målte er atomets kvantefaserespons på feltet. 116

Resultatet er heller ikke et universelt bevis for, at alle tænkelige brud på ækvivalensprincippet er udelukket. Overensstemmelsen begrænser, hvilke afvigelser der kan være til stede i det afprøvede regime, men andre modeller kan kræve andre eksperimenter for at kunne skelnes. 1

Ikke en test af Penroses kollapsidé

Forslag knyttet til Diósi og Roger Penrose handler om et andet spørgsmål: Om et tilstrækkeligt massivt objekt i en rumlig superposition kan miste sin kvantekohærens på grund af tyngderelaterede effekter. Sådanne forslag motiverer forsøg, hvor man øger objektets masse, afstanden mellem superpositionens grene og den tid, kohærensen bevares. 316

QGI viser derimod kohærent interferometri med enkelte atomer og måler en forudsagt fase, mens atomet stadig er kohærent. Et rubidiumatom i dette kortvarige interferometer er ikke den makroskopiske, langlivede rumlige superposition, som normalt er nødvendig for følsomme prøver af tyngderelaterede kollapsmodeller. At man ser interferens her, hverken bekræfter eller afkræfter derfor i sig selv sådanne forslag.

Næste skridt: tungere kvanteobjekter

Fremtidige stofbølgeforsøg med tungere partikler – blandt andet nanodiamanter og andre mesoscopiske systemer – skal udvide superpositioner til områder, hvor afvigelser fra standardkvantemekanikken kan være lettere at opdage. Sådanne forsøg kan teste konkrete modeller for dekohærens eller ny tyngderelateret fysik, men de er teknisk meget krævende. 16

QGI er et supplerende fremskridt: Metoden giver en direkte aflæsning af en kvantefase forbundet med frit fald mod en stationær laboratoriereference. Interferometre med tungere objekter sigter mod noget beslægtet, men anderledes: at undersøge, om selve kvantekohærensen ændrer sig, når masse, rumlig adskillelse og udviklingstid øges. 116