Interferometer Quantum Galileo Mengukur Fase Atom Jatuh Bebas akibat Gravitasi

Quantum Galileo Interferometer (QGI) mengukur secara langsung fase akibat gravitasi yang dikumpulkan gelombang materi atom ketika jatuh bebas. Hasilnya cocok dengan prediksi yang diperoleh bila mekanika kuantum diterapkan secara konsisten bersama prinsip ekuivalensi Einstein. Ini merupakan pengujian penting terhadap universalitas gravitasi di rezim kuantum—bukan bukti bahwa gravitasi sendiri telah terkuantisasi, atau bahwa relativitas umum dan mekanika kuantum telah dipersatukan. 10

Apa yang dilakukan tim peneliti

Tim internasional yang melibatkan peneliti dari Ben-Gurion University of the Negev, University of Ulm, dan University of Oxford mendinginkan atom rubidium hingga suhu ultra-rendah. Setelah itu, fungsi gelombang setiap atom dibelah secara koheren menjadi dua paket gelombang yang terpisah secara spasial. 10

• Satu paket gelombang ditahan hampir diam terhadap kerangka laboratorium dengan medan magnet.
• Paket lainnya diluncurkan lalu dibiarkan jatuh bebas, tanpa gaya tambahan dari eksperimen.
• Kedua paket kemudian disatukan kembali. Dari pola interferensinya, peneliti membaca perbedaan fase relatif di antara dua lintasan tersebut. 10

Karena dua cabang gelombang itu mengalami gerak dan riwayat gravitasi yang berbeda, fase relatif yang terukur mengisolasi fase yang semestinya diperoleh paket gelombang kuantum saat jatuh bebas. 10

Mengapa hasilnya penting

Dalam prinsip ekuivalensi Einstein, pengamat yang ikut jatuh bebas secara lokal tidak dapat membedakan efek gravitasi dari kondisi tanpa gravitasi. Namun, dalam eksperimen ini ada pembanding: satu cabang atom tetap ditopang di laboratorium, sementara cabang lain jatuh bebas. Perbedaan antara keduanya meninggalkan jejak berupa pergeseran fase kuantum yang dapat diukur. 10

Fase yang diamati sesuai dengan prediksi berenergi rendah tersebut. Artinya, prinsip ekuivalensi tetap berlaku ketika objek yang diuji bukan benda klasik biasa, melainkan atom rubidium yang berada dalam superposisi spasial koheren. 10

Yang dibuktikan—dan yang belum

Hasil QGI mendukung beberapa kesimpulan terbatas tetapi penting:

• Atom yang berada dalam superposisi dua lokasi tetap memperlihatkan fase jatuh bebas yang diharapkan dari gravitasi Einsteinian. 10
• Prinsip ekuivalensi mendapat dukungan dalam eksperimen atom kuantum, termasuk untuk objek yang terdelokalisasi sebagai gelombang materi. 10

Namun, eksperimen ini tidak berarti relativitas umum dan mekanika kuantum telah disatukan. Perhitungannya masih memakai pendekatan standar berenergi rendah: atom diperlakukan secara kuantum, sedangkan medan gravitasi diperlakukan sebagai latar klasik yang telah ditentukan. 10

Eksperimen ini juga belum menunjukkan bahwa gravitasi adalah medan kuantum atau bahwa gravitasi dapat membawa informasi kuantum. Pengujian yang lebih menentukan akan membutuhkan pengamatan seperti keterikatan kuantum (entanglement) yang dihasilkan gravitasi antara massa-massa yang dikendalikan secara independen, sambil secara meyakinkan menyingkirkan kopling nongravitasi dan model alternatif. Hingga kini, belum ada eksperimen yang memberikan bukti konklusif mengenai sifat kuantum gravitasi. 4

Bukan pengujian langsung terhadap gagasan Penrose

Usulan objective reduction Roger Penrose menyatakan bahwa superposisi spasial dapat kehilangan koherensinya secara spontan apabila distribusi massa yang bersaing menghasilkan energi-diri gravitasi yang cukup besar. Dalam gambaran ini, waktu runtuhnya superposisi menjadi lebih singkat untuk distribusi massa yang lebih besar dan lebih berjauhan. 5

QGI memakai atom tunggal dan mengukur fase koheren pada rezim yang masih jauh dari superposisi spasial bermassa besar dan berumur panjang—wilayah tempat efek keruntuhan seperti itu diperkirakan lebih mungkin diuji. 5

Mengamati fase yang sesuai prediksi bukanlah hal yang sama dengan mengukur, atau memberi batas ketat pada, hilangnya visibilitas interferensi secara anomali sebagai fungsi massa, jarak pemisahan, dan durasi penahanan. Selain itu, peneliti harus dapat membedakan kemungkinan hilangnya koherensi akibat gravitasi dari dekoherensi biasa, misalnya karena tumbukan, radiasi, gangguan magnet, derau teknis, dan ketidaksempurnaan alat.

Mengapa nanodiamond menjadi langkah berikutnya

Para peneliti memandang QGI sebagai pijakan menuju interferometri tipe Stern–Gerlach dengan nanodiamond, bukan atom. Partikel semacam itu dapat jauh lebih masif. Cacat nitrogen-vakansi (nitrogen-vacancy atau NV) yang tertanam di dalam nanodiamond dapat digunakan untuk menciptakan, mengendalikan, dan membaca superposisi spasialnya. 10

Program superposisi dan levitasi magnetis berbasis cip yang diusulkan menargetkan partikel sekitar (10^{-19}) hingga (10^{-15}) kg, sehingga rentang massa yang dapat diuji koherensinya akan jauh lebih luas. 12

Jika superposisi nanodiamond yang besar dan terisolasi dapat bertahan lebih lama daripada yang diizinkan suatu model keruntuhan tertentu, model itu akan semakin dibatasi. Sebaliknya, jika koherensi lenyap, penyebab konvensional dari dekoherensi harus lebih dahulu disingkirkan sebelum efek tersebut dikaitkan dengan gravitasi. 5

Bedanya dengan uji jatuh bebas atom di Tiangong

Eksperimen di Stasiun Luar Angkasa China, Tiangong, bersifat saling melengkapi, bukan pengulangan QGI. Eksperimen itu memakai interferometer atom dua spesies, (^{85})Rb dan (^{87})Rb, untuk membandingkan percepatan jatuh bebas keduanya di orbit. Tujuannya adalah menguji prinsip ekuivalensi lemah, yakni universalitas jatuh bebas. 12

• Tiangong bertanya: apakah dua isotop atau spesies atom mengalami percepatan yang sama dalam medan gravitasi yang sama?
• QGI bertanya: apakah gelombang materi dari satu atom yang disuperposisikan memperoleh fase jatuh bebas yang tepat, relatif terhadap cabang pembanding yang tidak jatuh? 10

Keduanya mendukung fisika prinsip ekuivalensi dalam eksperimen atom kuantum, tetapi tidak satu pun secara mandiri mendeteksi gravitasi yang terkuantisasi. 1012

Perlu kehati-hatian dalam klaim “sinyal gravitasi kuantum”

Klaim tentang sinyal gravitasi kuantum di laboratorium harus ditafsirkan dengan sangat hati-hati. Bahkan tanda tangan yang diusulkan berupa keterikatan yang dimediasi gravitasi masih diperdebatkan secara teoretis. Sejumlah studi terbaru berargumen bahwa kerangka gravitasi klasik tertentu juga dapat menghasilkan efek yang menyerupai keterikatan, dengan asumsi berbeda dari teorema larangan yang lazim digunakan. 911

Karena itu, pembacaan paling disiplin atas hasil QGI adalah: eksperimen ini merupakan pengamatan langsung dan bersih terhadap fase kuantum yang diprediksi oleh gravitasi, bukan penemuan gravitasi kuantum.