Kvantti-Galileo-interferometri mittasi putoavan atomin gravitaatiovaiheen

Kansainvälinen tutkimusryhmä mittasi Quantum Galileo Interferometer -laitteella suoraan gravitaation synnyttämän vaiheen, jonka vapaasti putoava atominen aineaalto kerää. Mitattu vaihe vastasi ennustetta, joka saadaan, kun tavallista kvanttimekaniikkaa sovelletaan Einsteinin ekvivalenssiperiaatteen mukaisesti. 10

Tulos on tärkeä testi gravitaation universaalisuudesta kvanttialueella. Se ei kuitenkaan tarkoita, että gravitaatio olisi nyt osoitettu kvanttikentäksi, eikä se yhdistä yleistä suhteellisuusteoriaa ja kvanttimekaniikkaa yhdeksi teoriaksi.

Näin koe tehtiin

Tutkijat jäähdyttivät rubidiumatomeja äärimmäisen mataliin lämpötiloihin ja jakoivat kunkin atomin aaltofunktion hallitusti kahdeksi avaruudellisesti erilliseksi aaltopaketiksi.

• Toinen aaltopaketti pidettiin magneettisesti likimain paikallaan laboratorion koordinaatistossa.
• Toinen paketti lähetettiin liikkeelle ja sen annettiin pudota vapaasti. 10

Lopuksi haarat yhdistettiin uudelleen, ja niiden välinen interferenssivaihe luettiin. Koska aaltopaketit olivat liikkuneet eri tavoin ja kokeneet erilaisen gravitaatiohistorian, mittaus erotti vapaasti putoavan kvanttiaaltopaketin kerryttämän vaiheen. 10

Havainto vastasi pienien energioiden alueella tehtyä ennustetta: vapaasti putoavaan kohteeseen ei paikallisesti kohdistu gravitaatiovoimaa samassa mielessä kuin tuettuun kohteeseen, mutta paikallaan pidettyyn vertailuhaaraan nähden putoava haara saa silti ennustetun gravitaatiosta johtuvan suhteellisen vaiheen. 10

Mitä tulos osoittaa – ja mitä ei

Koe tukee ekvivalenssiperiaatetta tilanteessa, jossa kvanttikohde on avaruudellisesti delokalisoitunut: rubidiumatomi voi olla koherentissa superpositiossa eri paikoissa ja silti saada Einsteinilaisen gravitaation ennustaman vapaan pudotuksen vaiheen. 10

Laskelmassa gravitaatiokenttä käsitellään ennalta annetuksi klassiseksi taustaksi, kun taas atomi on kvanttimekaaninen. Tämä on vakiintunut ja erittäin menestyksekäs pienien energioiden kuvaus, mutta se ei ole kvanttigravitaation teoria. 10

Koe ei myöskään osoita, että gravitaatio välittäisi kvantti-informaatiota. Ratkaisevampaan testiin tarvittaisiin esimerkiksi gravitaation synnyttämä lomittuminen kahden erikseen hallitun massan välillä sekä vakuuttava poissulku muille vuorovaikutuksille ja vaihtoehtoisille malleille. Toistaiseksi mikään koe ei ole antanut lopullista näyttöä gravitaation kvanttiluonteesta. 4

Miksi tämä ei ole Penrosen romahdusmallin testi

Roger Penrosen objektiivisen reduktion ehdotuksen mukaan avaruudellinen superpositio voi menettää koherenssinsa spontaanisti, jos vaihtoehtoisten massajakaumien gravitaatioon liittyvä itse-energia on riittävän suuri. Mallissa romahdusaika lyhenee, kun massat kasvavat ja superposition haarat ovat kauempana toisistaan. 5

Tässä kokeessa käytettiin yksittäisiä atomeja ja mitattiin koherenttia vaihetta alueella, joka on kaukana sellaisista suurista, pitkään säilyvistä avaruudellisista superpositioista, joissa Penrosen kaltaista romahdusta voisi odottaa voitavan testata.

• Ennustetun vaiheen havaitseminen ei ole sama asia kuin poikkeavan interferenssin näkyvyyden heikkenemisen mittaaminen tai tiukan rajan asettaminen sille massan, erottelun ja pitoajan funktiona.
• Mahdollinen hypoteettinen gravitaatioon liittyvä koherenssin katoaminen pitäisi erottaa tavanomaisesta dekoherenssista, kuten törmäyksistä, säteilystä, magneettikohinasta ja teknisistä epätäydellisyyksistä.

Nanotimantit voivat viedä testin raskaampiin kohteisiin

Tutkijat näkevät QGI-laitteen askeleena kohti Stern–Gerlach-tyyppistä interferometriaa nanotimanteilla atomien sijaan. Nanotimantti voisi olla huomattavasti atomia massiivisempi, ja sen sisältämää typpi-vakanssikeskuksen (NV-keskuksen) spiniä voitaisiin käyttää avaruudellisen superposition luomiseen, hallintaan ja lukemiseen. 10

Ehdotetut sirupohjaiset magneettisen levitaation ja superposition järjestelmät tähtäävät noin (10^{-19})–(10^{-15}) kilogramman hiukkasiin. Tämä laajentaisi merkittävästi massa-aluetta, jolla kvanttikoherenssia voidaan tutkia. 12

Jos suuri ja hyvin eristetty nanotimantin superpositio säilyisi pidempään kuin tietty romahdusmalli sallii, malli joutuisi ahtaalle. Jos koherenssi sen sijaan katoaisi, ensin olisi suljettava pois tavallinen dekoherenssi ennen kuin ilmiötä voisi tulkita gravitaation aiheuttamaksi. 5

Miten koe eroaa Tiangong-avaruusaseman atomipudotustestistä?

Kiinan avaruusaseman, Tiangongin, koe on QGI-mittaukselle täydentävä, ei päällekkäinen. Tiangongissa käytetään kiertoradalla kaksilajista (^{85})Rb/(^{87})Rb-atominterferometriä, jolla verrataan isotooppien vapaan pudotuksen kiihtyvyyksiä. Kyse on heikon ekvivalenssiperiaatteen eli vapaan pudotuksen universaalisuuden kvanttitestistä avaruudessa. 12

• Tiangong kysyy: putoavatko eri atomilajit tai isotoopit samalla tavalla samassa gravitaatiokentässä?
• QGI kysyy: saako yhden atomin koherentisti superpositiossa oleva aineaalto ennustetun vapaan pudotuksen vaiheen, kun sitä verrataan ei-putoavaan vertailuhaaraan? 10

Molemmat kokeet tukevat ekvivalenssiperiaatteen tavanomaista kuvausta kvanttiatomikokeissa. Kumpikaan ei yksin havaitse kvantittunutta gravitaatiota. 1012

Tulkinnassa tarvitaan pidättyvyyttä

Väitteisiin laboratoriossa havaituista ”kvanttigravitaatiosignaaleista” on suhtauduttava erityisen huolellisesti. Jopa ehdotetut gravitaation välittämän lomittumisen merkit ovat yhä teoreettisen kiistan kohteena: tuoreiden tutkimusten mukaan jotkin klassisen gravitaation kehykset voivat tuottaa lomittumista muistuttavia vaikutuksia oletuksilla, jotka poikkeavat tavallisista niin sanotuista no-go-teoreemoista. 911

Siksi tuloksen täsmällinen tulkinta on rajattu mutta merkittävä: QGI-kokeessa havaittiin puhtaasti gravitaation ennustama kvanttivaihe. Se ei vielä ole kvanttigravitaation löytö.