Un interféromètre quantique mesure la phase de gravité d’un atome en chute libre

Une équipe associant notamment l’université Ben-Gourion du Néguev, l’université d’Ulm et l’université d’Oxford a mesuré directement une phase gravitationnelle prédite pour un objet quantique en chute libre. Son interféromètre quantique de Galilée (Quantum Galileo Interferometer) a utilisé des atomes de rubidium ultrafroids pour comparer une branche d’onde de matière maintenue dans le référentiel du laboratoire à une autre, laissée en chute libre. La phase observée est conforme à la prédiction obtenue en appliquant le principe d’équivalence d’Einstein dans ce régime quantique de basse énergie. 12

Ce que les chercheurs ont mesuré

Les atomes de rubidium sont d’abord refroidis à des températures extrêmement basses, afin que leur comportement ondulatoire quantique puisse être contrôlé de façon cohérente. L’appareil sépare alors la fonction d’onde atomique en deux paquets d’ondes spatialement distincts. 12

• Une branche est maintenue approximativement immobile par rapport au laboratoire grâce à des champs magnétiques.
• L’autre est lancée, puis laissée en chute libre : durant cette phase, les expérimentateurs ne lui appliquent pas de force. 2

Après un intervalle contrôlé, les deux branches sont recombinées. Leur interférence révèle leur phase relative, c’est-à-dire l’écart entre les évolutions de leurs ondes quantiques. La comparaison isole ainsi la phase associée à la chute libre quantique : une branche a chuté tandis que l’autre est restée soutenue. 2

L’enjeu n’est donc pas seulement de vérifier l’accélération moyenne d’un nuage d’atomes. L’expérience lit une propriété proprement quantique : la différence de phase accumulée entre deux composantes cohérentes de la même onde atomique. 12

Ce que cela dit du principe d’équivalence

Le principe d’équivalence d’Einstein affirme que, localement, un observateur en chute libre ne ressent pas les effets de la gravité. Ici, le test porte sur la manière dont cette idée s’applique à une onde de matière répartie de façon cohérente entre deux chemins.

La phase relative mesurée correspond à la phase prédite pour la chute libre. Dans les conditions explorées, le résultat montre que le principe d’équivalence peut être appliqué de manière cohérente à un objet quantique, et pas seulement à un objet classique suivant une trajectoire bien définie. 12

Ce que l’expérience ne démontre pas

Le résultat ne constitue pas une découverte de la gravité quantique.

Il ne réunit pas la mécanique quantique et la relativité générale dans une théorie unique. Dans le calcul de basse énergie pertinent ici, l’atome est décrit quantiquement tandis que la gravité joue le rôle d’un champ classique d’arrière-plan. L’expérience confirme que ce cadre prédit correctement la phase observée dans la situation testée. 2

Elle ne prouve pas non plus que la gravité soit elle-même un champ quantique ni qu’elle puisse transporter de l’information quantique. À ce jour, aucune expérience n’a fourni de preuve concluante de propriétés quantiques de l’interaction gravitationnelle. 4855

Une piste souvent envisagée consiste à placer deux masses dans des états quantiques et à rechercher un enchevêtrement produit uniquement par leur interaction gravitationnelle. Mais l’interprétation d’un tel résultat dépend d’hypothèses théoriques : des travaux récents discutent encore la possibilité que certains cadres de gravité classique produisent des effets ressemblant à de l’enchevêtrement. 515359

Pourquoi ce n’est pas un test de l’effondrement gravitationnel de Penrose

Roger Penrose a proposé que des superpositions spatiales suffisamment grandes puissent perdre spontanément leur cohérence, du fait de leurs distributions de masse différentes. L’interféromètre quantique de Galilée a, au contraire, mesuré une phase cohérente d’ondes atomiques. Il n’a pas été conçu pour traquer une perte anormale de visibilité des interférences dans des superpositions massives et durables.

Pour tester ces modèles d’effondrement, il faudrait faire varier la masse, la séparation spatiale et le temps de cohérence, tout en excluant les sources ordinaires de décohérence. Collisions, bruit électromagnétique, vibrations ou imperfections techniques peuvent tous diminuer la visibilité des interférences sans signaler un nouveau mécanisme gravitationnel.

Le résultat soutient donc la cohérence quantique ordinaire dans le régime atomique étudié. Il ne confirme ni n’exclut de manière décisive des modèles d’effondrement visant des objets beaucoup plus massifs.

Les nanodiamants, prochaine étape logique

Des interféromètres proposés avec des nanodiamants visent à étendre les expériences d’ondes de matière à des masses nettement plus élevées. Un centre azote-lacune, ou centre NV, intégré dans un nanodiamant peut fournir un degré de liberté de spin ; des gradients magnétiques servent alors à créer et contrôler une superposition spatiale. 1721

Une proposition sur puce cible des particules dont la masse se situerait approximativement entre (10^{-19}) et (10^{-15}) kilogramme. 20 Ces expériences permettraient de vérifier jusqu’où la cohérence quantique subsiste à mesure que l’objet devient plus massif et plus sensible aux perturbations de son environnement.

Si une superposition massive et suffisamment isolée persistait au-delà de la limite prévue par un modèle d’effondrement particulier, cela contraindrait ce modèle. Si les interférences disparaissaient, il faudrait d’abord établir que les mécanismes usuels de décohérence ne suffisent pas à l’expliquer.

À ne pas confondre avec le test réalisé sur Tiangong

L’interféromètre quantique de Galilée et l’expérience d’interférométrie atomique menée à bord de la station spatiale chinoise Tiangong concernent tous deux la gravité et des atomes ultrafroids, mais ils ne posent pas la même question.

Tiangong a employé un interféromètre à deux espèces, (^{85})Rb et (^{87})Rb, afin de comparer l’accélération en chute libre de deux isotopes du rubidium en orbite. À partir de 280 jours de données, l’incertitude rapportée pour ce test du principe faible d’équivalence est de (2,8\times10^{-8}), pour un résultat de ((-3,1\pm4,6)\times10^{-7}). 3541

Il s’agit d’un test de l’universalité de la chute libre : des corps d’essai différents accélèrent-ils de la même manière dans un même champ gravitationnel ?

L’expérience du Quantum Galileo Interferometer compare, elle, deux branches de la même onde de matière cohérente — l’une soutenue et l’autre en chute libre — afin de mesurer la phase quantique prédite pour la chute libre. 2

Les deux travaux confortent la physique du principe d’équivalence avec des atomes quantiques. Aucun des deux ne démontre, à lui seul, que la gravité est quantifiée.

La conclusion, avec la prudence nécessaire

L’interféromètre quantique de Galilée franchit une étape précise mais importante : il a directement observé la phase prédite par la gravité pour une onde de matière atomique en chute libre. L’accord avec la théorie étend un test du principe d’équivalence à une situation où l’objet est placé dans une superposition quantique contrôlée. 12

Sa portée est maximale lorsqu’elle est formulée sans extrapolation : c’est une preuve solide que, dans le régime de basse énergie mesuré, la mécanique quantique et le principe d’équivalence d’Einstein restent compatibles — et non une théorie achevée de la gravité quantique, ni un test direct de l’effondrement quantique induit par la gravité.