Un interferómetro cuántico mide la fase de la gravedad en un átomo que cae

Un equipo con investigadores de la Universidad Ben-Gurión del Néguev, la Universidad de Ulm y la Universidad de Oxford ha medido directamente una fase gravitatoria predicha para un objeto cuántico en caída libre. Su Interferómetro Cuántico de Galileo utilizó átomos de rubidio ultrafríos para comparar una rama de una onda de materia sostenida en el laboratorio con otra que se dejó caer libremente. La fase observada coincidió con la predicción obtenida al aplicar el principio de equivalencia de Einstein en este régimen cuántico de baja energía. 12

Cómo separaron y reunieron la onda atómica

Los investigadores enfriaron los átomos de rubidio hasta temperaturas extremadamente bajas, donde su comportamiento ondulatorio cuántico puede controlarse de forma coherente. Después dividieron la función de onda atómica en dos paquetes de onda espacialmente separados. 12

Una de las trayectorias quedó aproximadamente inmóvil respecto al laboratorio gracias a campos magnéticos. La otra fue lanzada y luego se dejó en caída libre: durante esa caída, los experimentadores no le aplicaron fuerzas. 2

Tras un intervalo controlado, reunieron ambas trayectorias. Al superponerse, las ondas produjeron interferencia, cuyo patrón revela su fase relativa: la diferencia entre la evolución acumulada por cada rama de la onda cuántica. Al comparar una rama sostenida con otra en caída libre, el equipo pudo aislar la fase asociada a la caída libre cuántica. 2

Qué respalda sobre el principio de equivalencia

El principio de equivalencia de Einstein establece que, localmente, un observador en caída libre no percibe los efectos de la gravedad. El resultado examina cómo se comporta ese principio cuando el objeto no sigue una única trayectoria clásica, sino que su onda de materia se distribuye coherentemente entre caminos distintos.

La fase relativa medida coincidió con la fase de caída libre prevista. En las condiciones estudiadas, esto respalda que el principio de equivalencia puede aplicarse de forma consistente a un objeto cuántico, no solo a una partícula clásica con una trayectoria definida. 12

La diferencia es importante: no se limitó a medir la aceleración media de una nube de átomos. La función de onda fue puesta en superposición y el experimento leyó la diferencia de fase entre sus dos ramas. 12

Lo que el resultado no demuestra

No sería correcto presentarlo como el descubrimiento de la gravedad cuántica.

El experimento no unifica la mecánica cuántica con la relatividad general. En este tipo de cálculo de baja energía, el átomo se trata como un objeto cuántico, mientras que la gravedad actúa como un campo clásico de fondo. El resultado confirma que ese marco, ampliamente usado, predice correctamente la fase observada en estas condiciones. 2

Tampoco establece que la gravedad sea un campo cuántico o que pueda transmitir información cuántica. Hasta ahora, ningún experimento ha aportado evidencia concluyente de rasgos cuánticos de la interacción gravitatoria. 4855

Una vía propuesta para abordar esa cuestión consiste en preparar dos masas en estados cuánticos y buscar entrelazamiento generado exclusivamente por su interacción gravitatoria. Pero la interpretación de esos experimentos depende de supuestos teóricos, y sigue el debate sobre si ciertos marcos de gravedad clásica podrían reproducir efectos parecidos al entrelazamiento. 515359

Por qué no pone a prueba el colapso gravitatorio de Penrose

Roger Penrose ha propuesto que superposiciones espaciales suficientemente grandes podrían perder coherencia de manera espontánea por las distintas distribuciones de masa involucradas. El Interferómetro Cuántico de Galileo, en cambio, midió una fase coherente de ondas atómicas; no fue diseñado para buscar una pérdida anómala de visibilidad de interferencia en superposiciones masivas y duraderas.

Para poner a prueba esas hipótesis de colapso harían falta experimentos capaces de variar la masa, la separación espacial y el tiempo de coherencia, descartando a la vez las fuentes ordinarias de decoherencia. Colisiones, ruido electromagnético, vibraciones e imperfecciones técnicas también pueden reducir la visibilidad de la interferencia sin indicar un mecanismo gravitatorio nuevo.

Por tanto, la medición respalda la coherencia cuántica ordinaria en el régimen atómico analizado. No confirma ni descarta de manera definitiva los modelos de colapso pensados para objetos mucho mayores.

Nanodiamantes: el siguiente salto de masa

Los interferómetros propuestos con nanodiamantes buscan llevar los experimentos de ondas de materia a masas considerablemente superiores. Un centro nitrógeno-vacancia —un defecto controlable dentro de un nanodiamante— puede aportar un grado de libertad de espín; mediante gradientes magnéticos, ese espín serviría para crear y controlar una superposición espacial. 1721

Una propuesta basada en chips apunta a partículas con masas aproximadas entre (10^{-19}) y (10^{-15}) kilogramos. 20 Estos experimentos permitirían comprobar si la coherencia cuántica persiste a medida que el objeto gana masa y se vuelve más vulnerable a perturbaciones del entorno.

Si una superposición masiva y bien aislada sobreviviera más allá del límite previsto por un modelo concreto de colapso, el resultado restringiría ese modelo. Si la interferencia desapareciera, antes habría que demostrar que la decoherencia convencional no basta para explicarlo.

En qué se diferencia de la prueba orbital de Tiangong

El Interferómetro Cuántico de Galileo y el experimento de interferometría atómica de la estación espacial china Tiangong estudian gravedad y átomos ultrafríos, pero responden preguntas diferentes.

Tiangong empleó un interferómetro atómico de doble especie, con (^{85})Rb y (^{87})Rb, para comparar las aceleraciones de caída libre de dos isótopos de rubidio en órbita. A partir de 280 días de datos, reportó una incertidumbre de (2,8\times10^{-8}) en su prueba del principio de equivalencia débil y un resultado de ((-3,1\pm4,6)\times10^{-7}). 3541

Esa es una prueba de la universalidad de la caída libre: si distintos cuerpos de prueba aceleran por igual en el mismo campo gravitatorio.

El Interferómetro Cuántico de Galileo, por su parte, compara dos ramas de la misma onda de materia coherente —una sostenida y otra en caída libre— para medir la fase cuántica de caída libre prevista por la teoría. 2

Ambos experimentos respaldan la física del principio de equivalencia con átomos cuánticos. Ninguno demuestra por sí solo que la gravedad esté cuantizada.

La conclusión precisa

El hito es concreto: el Interferómetro Cuántico de Galileo observó directamente la fase gravitatoria predicha para una onda de materia atómica en caída libre. La coincidencia con la teoría extiende una prueba del principio de equivalencia a un escenario en el que el objeto está en una superposición cuántica controlada. 12

Su importancia se entiende mejor sin exageraciones: es una evidencia sólida de que la mecánica cuántica y el principio de equivalencia de Einstein siguen siendo compatibles en el régimen de baja energía medido. No es todavía una teoría completa de gravedad cuántica ni una prueba del colapso cuántico impulsado por la gravedad.