Des atomes ultrafroids confirment la phase quantique induite par la gravité

L’équipe a mesuré directement la différence de phase quantique induite par la gravité entre deux trajectoires cohérentes d’atomes de rubidium ultrafroids : l’une était maintenue contre la pesanteur par un dispositif magnétique, tandis que l’autre était propulsée vers le haut avant de retomber en chute libre. Le déplacement des franges d’interférence est, dans la précision atteinte, conforme à la phase prédite par le principe d’équivalence d’Einstein pour ces deux parcours. 24

Comment l’expérience a fonctionné

Des impulsions micro-ondes ont placé les atomes, à proximité d’une puce à atomes, dans une superposition de deux histoires associant état interne et trajectoire. Un champ magnétique a gardé une branche pratiquement immobile face à la gravité ; l’autre a suivi une trajectoire balistique, montant puis redescendant en chute libre. Lors de la recombinaison des deux branches, leur différence de phase s’est traduite par un signal d’interférence mesurable. 24

Ce que le résultat établit — et ce qu’il n’établit pas

Dans ce régime d’atomes individuels soumis à la faible gravité terrestre, l’évolution quantique ordinaire donne bien le résultat attendu à partir du principe d’équivalence. C’est donc un test d’interférence quantique de la phase gravitationnelle liée à la chute libre, et pas seulement une vérification classique du mouvement d’un objet sous l’effet de la gravité. 24

En revanche, l’expérience ne réunit pas la mécanique quantique et la relativité générale. Elle ne prouve pas non plus que le champ gravitationnel est quantifié, ne détecte aucun graviton et ne permet pas de départager une gravité quantique d’une gravité classique. Pour sonder directement le caractère quantique de la gravité, il faudrait par exemple montrer que celle-ci peut créer de l’intrication entre deux masses suffisamment isolées. 23

Pourquoi la proposition de Roger Penrose vise des objets plus lourds

Roger Penrose a proposé un mécanisme d’effondrement objectif lié à la gravité. Selon cette idée, un objet massif placé dans une superposition de positions correspondrait à deux géométries distinctes de l’espace-temps, ce qui rendrait l’état instable. La cohérence quantique décroîtrait alors suivant une échelle de temps liée à la différence d’auto-énergie gravitationnelle entre les deux distributions de masse. 9

Un seul atome de rubidium est beaucoup trop léger pour mettre fortement à l’épreuve un tel mécanisme, dont l’effet attendu dépend de la masse. Des interféromètres capables de produire des superpositions spatiales vastes et durables d’objets plus lourds — par exemple des nanodiamants lévités ou d’autres systèmes mésoscopiques — pourraient rechercher une disparition inexpliquée des interférences au rythme prédit par les modèles de type Diósi-Penrose. Encore faudrait-il écarter rigoureusement les causes ordinaires de décohérence environnementale. 19

Observer une cohérence qui persiste au-delà de la décroissance prévue contraindrait ces modèles. À l’inverse, une décroissance supplémentaire, reproductible et présentant la dépendance attendue avec la masse, la séparation et la durée, leur apporterait un soutien — sans dispenser de vérifier qu’aucun bruit expérimental ou mécanisme conventionnel ne l’explique. 19