אינטרפרומטר קוונטי מדד את הפאזה של אטום בנפילה חופשית

במקום רק לצפות באטום נופל, החוקרים הפכו את הנפילה לניסוי השוואה קוונטי. הם יצרו שני ענפים קוהרנטיים של חבילת גל מאטום רובידיום-87 מקורר לטמפרטורות נמוכות מאוד: ענף אחד נשאר נייח ביחס למעבדה, ואילו השני נורה כלפי מעלה ואז הושאר בנפילה חופשית. כאשר שני הענפים אוחדו מחדש, דפוס ההתאבכות ביניהם חשף את הפרש הפאזה שנצבר לאורך שני המסלולים. 1

אטום אחד, שני מסלולים

באמצעות שליטה התלויה במצב הפנימי של האטום, הצוות הכניס את חבילת הגל למצב של סופרפוזיציה מרחבית — תיאור קוונטי שבו לשני מסלולים יש משמעות בו-זמנית עד למדידה.

שדה מגנטי תמך בענף אחד נגד הכבידה והחזיק אותו במנוחה ביחס למעבדה. הענף האחר קיבל דחף תנע כלפי מעלה במצב שנבחר כך שיהיה כמעט בלתי רגיש למפל השדה המגנטי; לכן הוא נע במסלול בליסטי בהשפעת כבידת כדור הארץ. 1515

אחרי זמן התפתחות מבוקר, החוקרים חיברו מחדש את שני הענפים. ההתאבכות הקוונטית מתרגמת הפרש פאזה — גודל שאינו נראה ישירות — לאות מדיד. זהו תפקידו הבסיסי של אינטרפרומטר אטומים: להשוות את הפאזה שנצברה לאורך שתי היסטוריות קוהרנטיות של אותו אובייקט קוונטי.

עבור הענף שבנפילה חופשית, אחד מאיברי התרומה החזויים לפאזה גדל לפי:

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

לצד איבר התלוי במיקום. כאן (m) היא מסת האטום, (g) תאוצת הכובד, (T) זמן ההתפתחות החופשית ו-(\hbar) הוא קבוע פלאנק המצומצם. הפרש הפאזה שנמדד תאם את התחזית הזו. 1

למה חשוב ענף הייחוס הנייח

אינטרפרומטרים אטומיים כבר שימשו למדידת כבידה, תאוצה והיסטי פאזה שנגרמים על ידי כבידה. החידוש הייחודי של ה-QGI הוא ההשוואה הישירה בין חבילת גל בנפילה חופשית לבין חבילת ייחוס שנשארה, באותו זמן, נייחת במסגרת המעבדה שעל פני כדור הארץ. 1

המבנה הזה מאפשר לבודד את הפאזה המתארת את גל החומר הנופל ביחס למעבדה. החוקרים מפרשים את הפאזה שנצפתה כמקבילה הקוונטית לטרנספורמציה בין מעבדה הנתמכת נגד כבידה לבין מסגרת שנופלת יחד עם האובייקט — טרנספורמציה הנובעת מעקרון השקילות של איינשטיין. 1

לכן יש להבין את טענת ה"ראשונה" באופן מדויק: זו טענה על מדידה ישירה זו, של השוואת ענף נייח לענף נופל, ועל הפאזה הקוונטית החזויה של נפילה חופשית. אין זו הטענה הראשונה אי פעם למדידת השפעות כבידה באינטרפרומטריה של אטומים או גלי חומר. 1

מה התוצאה כן מאששת

התוצאה תומכת בעקביות בין התפתחות פאזה קוונטית רגילה לבין עקרון השקילות, במשטר הארצי ודל-האנרגיה שנבדק בניסוי. במילים פשוטות: גל החומר שנפל התנהג כצפוי כאשר הכבידה תוארה באמצעות הקשר בין מסגרת המעבדה למסגרת הנופלת. 1

זהו מבחן דיוק חשוב בגבול שבין כבידה לקוונטים. הוא מראה שהתחזית הקוונטית הרלוונטית וההשלכה הנבדקת של תורת הכבידה של איינשטיין עולות בקנה אחד בתנאים האלה.

ומה הוא לא מוכיח

הניסוי אינו מאחד את מכניקת הקוונטים עם תורת היחסות הכללית. הוא גם אינו מוכיח שהכבידה היא שדה קוונטי, אינו מגלה גרביטון ואינו מדגים שזירה שמתווכת על ידי כבידה. בניסוי זה הכבידה מתפקדת כשדה חיצוני קלאסי, הקובע את תנועת האטום; מה שנמדד הוא תגובת הפאזה הקוונטית של האטום לשדה הזה. 116

כמו כן, ההתאמה לתחזית אינה הוכחה גורפת לכך שכל מודל אפשרי שמפר את עקרון השקילות נשלל. היא מגבילה סוגים של סטיות שהיו עשויות להופיע בתחום שנבדק, אך ייתכן שמודלים חלופיים ידרשו ניסויים אחרים כדי להבחין ביניהם. 1

למה זה אינו מבחן להשערת הקריסה של פנרוז

הצעות המזוהות עם רוג'ר פנרוז ולאיוש דיושי עוסקות בשאלה אחרת: האם אובייקט מסיבי דיו, שנמצא בסופרפוזיציה מרחבית, עלול לאבד קוהרנטיות בשל השפעה הקשורה לכבידה. כדי לבחון הצעות כאלה נדרשים בדרך כלל אובייקטים בעלי מסה גדולה יותר, הפרדה מרחבית גדולה יותר בין הענפים, וזמן ארוך יותר שבו נשמרת הקוהרנטיות. 316

ה-QGI, לעומת זאת, מדגים אינטרפרומטריה קוהרנטית של אטום בודד ומודד פאזה צפויה כל עוד האטום נשאר קוהרנטי. אטום רובידיום בניסוי קצר כזה אינו הסופרפוזיציה המרחבית, ארוכת-החיים והמקרוסקופית יחסית שנדרשת בדרך כלל למבחנים רגישים של מודלי קריסה הקשורים לכבידה. לכן עצם תצפית ההתאבכות כאן אינה מאששת ואינה שוללת, כשלעצמה, את ההצעות הללו.

השלב הבא: אובייקטים קוונטיים כבדים יותר

ניסויי גלי חומר עתידיים עם חלקיקים כבדים יותר — ובהם ננו-יהלומים ומערכות מזוסקופיות אחרות — שואפים להרחיב את הסופרפוזיציה הקוונטית לאזורים שבהם קל יותר אולי לזהות סטיות ממכניקת הקוונטים הרגילה. מחקרים כאלה עשויים לבחון מודלים מסוימים של דה-קוהרנטיות או פיזיקה חדשה הקשורה לכבידה, אך הם מציבים אתגרים טכנולוגיים ניכרים. 16

ה-QGI הוא ציון דרך משלים: הוא מציג דרך לקרוא ישירות פאזה קוונטית הקשורה לנפילה חופשית, מול ענף ייחוס נייח במעבדה. אינטרפרומטרים של אובייקטים כבדים יותר יכוונו למטרה אחרת אך קרובה: לבדוק אם הקוהרנטיות הקוונטית עצמה משתנה ככל שהמסה, ההפרדה המרחבית וזמן ההתפתחות גדלים. 116