Kvantti-Galileo-interferometri mittasi putoavan atomin gravitaatiovaiheen

Kvantti-Galileo-interferometri (QGI) muuttaa tutun putoamiskokeen kvanttivertailuksi. Tutkijat eivät vain seuranneet atomin putoamista, vaan muodostivat ultrakylmän rubidium-87-atomin aaltopakettiin kaksi koherenttia haaraa: toinen pysyi paikallaan laboratorion suhteen ja toinen laukaistiin ylöspäin, minkä jälkeen se putosi vapaasti. Kun haarat yhdistettiin uudelleen, niiden interferenssi paljasti reittien välille kertyneen vaihe-eron. 1

Yksi atomi, kaksi liikettä

Tutkimusryhmä käytti atomitilan mukaan määräytyvää ohjausta luodakseen aaltopakettiin avaruudellisen superposition. Magneettikenttä kannatteli toista haaraa painovoimaa vastaan, joten se pysyi laboratorion koordinaatistossa paikallaan. Toinen haara sai liikemääräpulssin ja valittiin tilaan, joka ei ole herkkä magneettiselle gradientille. Siksi se seurasi Maan painovoiman määräämää ballistista rataa. 1515

Hallitun kehitysajan jälkeen haarat yhdistettiin. Kvantti-interferenssi muuttaa muuten näkymättömän vaihe-eron mitattavaksi signaaliksi. Tämä on atominterferometrin perusajatus: se vertaa saman kvanttiobjektin kahdelle koherentille historialle kertyneitä vaiheita.

Vapaasti putoavalle haaralle ennustettu vaikutus sisältää termin

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

sekä paikasta riippuvan termin. Tässä (m) on atomin massa, (g) putoamiskiihtyvyys, (T) vapaan kehityksen aika ja (\hbar) redusoitu Planckin vakio. Mitattu suhteellinen vaihe vastasi ennustetta. 1

Miksi paikallaan pysyvä vertailuhaara on olennainen

Atominterferometreillä on jo pitkään mitattu gravitaatiota, kiihtyvyyttä ja gravitaation aiheuttamia vaihesiirtymiä. QGI:n erityispiirre on kuitenkin suora vertailu yhtä aikaa vapaasti putoavan aaltopaketin ja Maan laboratoriokehykseen nähden paikallaan olevan vertailupaketin välillä. 1

Asetelma kohdistaa mittauksen vaiheeseen, joka liittyy putoavan kvanttiaallon kuvaamiseen laboratorion suhteen. Tutkijat tulkitsevat havaitun vaiheen kvanttivastineeksi muunnokselle, joka seuraa Einsteinin ekvivalenssiperiaatteesta kannatellun laboratorion ja yhdessä putoavan koordinaatiston välillä. 1

Väite ensimmäisyydestä on siis ymmärrettävä rajatusti. Kyse on ensimmäisestä tällaisesta suorasta paikallaan pysyvän ja vapaasti putoavan haaran vertailusta sekä vapaan putoamisen ennustetun kvanttivaiheen mittauksesta – ei ensimmäisestä gravitaation havainnosta atomien tai aineaaltojen interferometriassa ylipäätään. 1

Mitä tulos vahvistaa

Tulos tukee sitä, että tavanomainen kvanttivaiheen kehitys ja ekvivalenssiperiaate ovat keskenään johdonmukaisia kokeen maanpäällisessä, matalaenergiaisessa tilanteessa. Yksinkertaistettuna vapaasti putoava aineaalto käyttäytyi odotetusti, kun gravitaatiota käsiteltiin ekvivalenssiperiaatteen määrittämän kehysten välisen yhteyden avulla. 1

Kyseessä on merkittävä tarkkuustesti gravitaation ja kvanttimekaniikan rajapinnalla. Se osoittaa, että kokeessa testattu kvanttiennuste ja Einsteinin painovoimateorian seuraus ovat näissä olosuhteissa sopusoinnussa.

Mitä koe ei osoita

Koe ei yhdistä kvanttimekaniikkaa ja yleistä suhteellisuusteoriaa yhdeksi teoriaksi. Se ei myöskään osoita gravitaation olevan kvanttikenttä, havaitse gravitonia tai todista gravitaation välittämää lomittumista. Tässä asetelmassa gravitaatio toimii atomin liikettä ohjaavana ulkoisena klassisena kenttänä, ja mitataan atomin kvanttivaiheen vaste siihen. 116

Tulos ei myöskään ole yleispätevä todistus siitä, että kaikki kuviteltavissa olevat ekvivalenssiperiaatteen rikkomukset olisi suljettu pois. Hyvä yhteensopivuus rajoittaa poikkeamien mahdollisuuksia testatussa tilanteessa, mutta eri vaihtoehtoiset mallit voivat edellyttää erilaista koetta erottuakseen toisistaan. 1

Miksi tämä ei testaa Penrosen romahdusideaa

Diósin ja Penrosen ehdotukset koskevat eri kysymystä: voisiko riittävän massiivinen, avaruudelliseen superpositioon asetettu kohde menettää koherenssinsa gravitaatioon liittyvien vaikutusten vuoksi? Tällaisia ehdotuksia tutkivissa kokeissa olennaisia suureita ovat kohteen massa, haarojen välinen etäisyys ja aika, jonka superposition koherenssi säilyy. 316

QGI osoittaa sen sijaan yhden atomin koherentin interferenssin ja mittaa ennustetun vaiheen samalla, kun atomi säilyy koherenttina. Lyhytkestoisessa interferometrissä oleva rubidiumatomi ei ole sellainen makroskooppinen ja pitkäikäinen avaruudellinen superpositio, jota gravitaatioon liittyvien romahdusmallien herkkä testaaminen tavallisesti edellyttää. Interferenssin havaitseminen tässä kokeessa ei siksi yksinään vahvista eikä kumoa näitä ehdotuksia.

Seuraava raja: raskaammat kvanttiobjektit

Tulevat aineaaltointerferometrikokeet raskaammilla hiukkasilla, kuten nanodiamanteilla ja muilla mesoskooppisilla järjestelmillä, pyrkivät viemään kvanttisuperposition alueille, joilla poikkeamat tavanomaisesta kvanttimekaniikasta voisivat olla helpommin havaittavia. Tällainen tutkimus voi testata tiettyjä dekoherenssi- tai gravitaatioon liittyvän uuden fysiikan malleja, mutta on teknisesti vaativaa. 16

QGI on tätä täydentävä virstanpylväs: se tarjoaa tavan lukea suoraan vapaan putoamisen kvanttivaihe paikallaan pysyvää laboratorioreferenssiä vasten. Raskaampien kohteiden interferometrit tavoittelevat toista, mutta läheisesti liittyvää päämäärää: sen selvittämistä, muuttuuko kvanttikoherenssi, kun massa, haarojen erottelu ja kehitysaika kasvavat. 116