Kvantti-Galileo-interferometri mittasi painovoiman vaiheen putoavassa atomissa

Kansainvälinen tutkimusryhmä, jossa oli tutkijoita Ben-Gurionin yliopistosta, Ulmin yliopistosta ja Oxfordin yliopistosta, on mitannut suoraan vapaasti putoavan kvanttiobjektin ennustetun gravitaatiovaiheen. Ryhmä käytti ultrakylmiä rubidiumatomeja ja niin kutsuttua Kvantti-Galileo-interferometriä: saman aineaallon toinen haara pidettiin laboratoriokehykseen nähden paikallaan ja toinen päästettiin vapaaseen putoamiseen. Mitattu vaihesiirtymä vastasi ennustetta, joka saadaan soveltamalla Einsteinin ekvivalenssiperiaatetta tässä matalan energian kvanttijärjestelmässä. 12

Näin koe tehtiin

Rubidiumatomit jäähdytettiin erittäin lähelle absoluuttista nollapistettä. Tällöin atomien aaltoluonteista kvanttitilaa voidaan hallita koherentisti. Laitteisto jakoi atomien aaltofunktion kahdeksi avaruudellisesti erilliseksi aaltopaketiksi. 12

Toista haaraa kannateltiin magneettikentillä niin, että se pysyi likimain paikallaan laboratorioon nähden. Toinen haara laukaistiin ja päästettiin vapaaseen putoamiseen: tutkijat eivät kohdistaneet siihen putoamisen aikana voimaa. 2

Lopuksi haarat yhdistettiin uudelleen. Kun aallot limittyvät, ne interferoivat – samaan tapaan kuin päällekkäiset veden aallot. Interferenssistä voidaan lukea niiden suhteellinen vaihe, eli eri reiteillä kertyneen kvanttiaaltojen kehityksen ero. Koska toinen haara putosi vapaasti ja toinen oli kannateltu, mittaus erotti nimenomaan kvanttisen vapaan putoamisen vaiheen. 2

Mitä tulos kertoo Einsteinin periaatteesta?

Einsteinin ekvivalenssiperiaatteen mukaan painovoiman vaikutus häviää paikallisesti vapaasti putoavan havaitsijan näkökulmasta. Uusi koe tarkastelee, miten periaate toimii tilanteessa, jossa aineaalto on koherentisti jakautunut kahdelle eri reitille.

Mitattu suhteellinen vaihe vastasi vapaan putoamisen teoreettista ennustetta. Tutkitulla alueella tämä tukee sitä, että ekvivalenssiperiaatetta voidaan soveltaa johdonmukaisesti kvanttiobjektiin – ei vain klassiseen hiukkaseen, jolla olisi yksi tarkka rata. 12

Olennaista on, ettei koe pelkästään seurannut atomipilven keskimääräistä kiihtyvyyttä. Atomin aaltofunktio asetettiin superpositioon, ja tutkijat mittasivat sen kahden haaran välisen vaihe-eron. 12

Mitä koe ei osoita

Tulosta ei pidä kuvata kvanttipainovoiman löytönä.

Koe ei yhdistä kvanttimekaniikkaa ja yleistä suhteellisuusteoriaa yhdeksi teoriaksi. Tässä matalan energian laskutavassa atomi käsitellään kvanttimekaanisesti, kun taas painovoima on klassinen taustakenttä. Mittaus vahvistaa, että tämä laajalti käytetty kehys ennustaa havaitun vaiheen oikein koeolosuhteissa. 2

Se ei myöskään osoita, että painovoima olisi kvanttikenttä tai että se välittäisi kvantti-informaatiota. Yksikään koe ei toistaiseksi ole antanut ratkaisevaa näyttöä gravitaatiovuorovaikutuksen kvanttiluonteesta. 4855

Yksi ehdotettu tapa tutkia kysymystä on asettaa kaksi massaa kvanttitiloihin ja etsiä lomittumista, jonka synnyttäisi yksin niiden gravitaatiovuorovaikutus. Tällaisten kokeiden tulkinta riippuu kuitenkin teoreettisista oletuksista. Tuore tutkimus myös kiistelee siitä, voisivatko eräät klassisen painovoiman kehykset tuottaa lomittumista muistuttavia vaikutuksia. 515359

Miksi tämä ei testaa Penrosen gravitaatiokollapsia?

Roger Penrose on ehdottanut, että riittävän suuret avaruudelliset superpositiot voisivat menettää koherenssinsa spontaanisti niiden erilaisten massajakaumien vuoksi. Kvantti-Galileo-interferometri mittasi sen sijaan atomaaristen aineaaltojen koherenttia vaihetta. Sitä ei suunniteltu etsimään poikkeavaa interferenssin näkyvyyden heikkenemistä suurimassaisissa ja pitkäkestoisissa superpositioissa.

Kollapsimalleja testattaessa pitäisi vaihdella massaa, haarojen välistä etäisyyttä ja koherenssiaikaa sekä sulkea pois tavanomaiset dekoherenssin lähteet. Törmäykset, sähkömagneettinen kohina, värähtelyt ja laitteiston epätäydellisyydet voivat kaikki heikentää interferenssiä ilman, että kyse olisi uudesta gravitaatiomekanismista.

Uusi mittaus siis tukee tavanomaista kvanttikoherenssia tutkitussa atomien mittakaavassa. Se ei vahvista eikä ratkaisevasti kumoa malleja, jotka koskevat paljon suurempia objekteja.

Miksi nanotimantit ovat luonteva seuraava askel?

Nanotimanteilla tehtävillä interferometrikokeilla pyritään nostamaan aineaaltojen massaa huomattavasti atomikokeita suuremmaksi. Nanotimanttiin sijoitettu typpi-aukkokeskus eli NV-keskus voi tarjota spin-asteen, jonka avulla magneettiset gradientit luovat ja ohjaavat avaruudellista superpositiota. 1721

Eräs sirupohjainen ehdotus tähtää hiukkasiin, joiden massa olisi suunnilleen (10^{-19})–(10^{-15}) kilogrammaa. 20 Tällaisilla kokeilla voitaisiin tutkia, säilyykö kvanttikoherenssi, kun objekti kasvaa massiivisemmaksi ja samalla herkemmäksi ympäristön häiriöille.

Jos hyvin eristetty, massiivinen superpositio säilyisi pidempään kuin jokin kollapsimalli sallii, se rajoittaisi mallia. Jos interferenssi katoaisi, olisi ensin osoitettava, ettei tavallinen dekoherenssi selitä havaintoa.

Ero Tiangongin atomien putoamiskokeeseen

Kvantti-Galileo-interferometri ja Kiinan avaruusaseman Tiangongin atomi-interferometrikoe liittyvät kumpikin painovoimaan ja ultrakylmiin atomeihin, mutta niiden kysymykset ovat erilaiset.

Tiangongissa käytettiin kahden rubidiumisotoopin, (^{85})Rb:n ja (^{87})Rb:n, atomi-interferometriä. Kokeessa verrattiin isotooppien vapaan putoamisen kiihtyvyyksiä kiertoradalla. 280 päivän aineistosta raportoitiin heikon ekvivalenssiperiaatteen testin epävarmuudeksi (2{,}8\times10^{-8}) ja tulokseksi ((-3{,}1\pm4{,}6)\times10^{-7}). 3541

Tämä on vapaan putoamisen universaalisuuden testi: kiihtyvätkö erilaiset testikappaleet samalla tavalla samassa gravitaatiokentässä?

Kvantti-Galileo-interferometri taas vertaa saman koherentin aineaallon kahta haaraa – kannateltua ja vapaasti putoavaa – mitatakseen vapaan putoamisen ennustetun kvanttivaiheen. 2

Molemmat kokeet tukevat ekvivalenssiperiaatteen mukaista fysiikkaa kvanttiatomeilla. Kumpikaan ei yksin osoita, että painovoima olisi kvantittunut.

Tarkka johtopäätös

Kvantti-Galileo-interferometri saavutti rajatun mutta merkittävän virstanpylvään: se havaitsi suoraan vapaasti putoavan atomaarisen aineaallon gravitaatioteorian ennustaman vaiheen. Yhtäpitävyys teorian kanssa laajentaa ekvivalenssiperiaatteen testaamista tilanteeseen, jossa objekti on hallitussa kvanttisuperpositiossa. 12

Tuloksen merkitys on vahvimmillaan täsmällisesti ilmaistuna: se on vakuuttavaa näyttöä siitä, että kvanttimekaniikka ja Einsteinin ekvivalenssiperiaate ovat yhteensopivia mitatussa matalan energian järjestelmässä. Se ei ole valmis kvanttipainovoiman teoria eikä vielä testi painovoiman aiheuttamasta kvanttikollapsista.