Quantum Galileo Interferometer: la gravità osservata nel comportamento quantistico di un atomo

Il Quantum Galileo Interferometer ha misurato direttamente la fase indotta dalla gravità che un’onda di materia atomica accumula durante la caduta libera. Il risultato coincide con la previsione ottenuta applicando la meccanica quantistica insieme al principio di equivalenza di Einstein. È quindi un importante test dell’universalità della gravità nel regime quantistico, ma non dimostra che la gravità sia stata quantizzata né unifica relatività generale e meccanica quantistica. 10

Come funziona l’esperimento

Il gruppo internazionale ha raffreddato atomi di rubidio fino a temperature ultrabasse e ha diviso coerentemente la loro funzione d’onda in due pacchetti spazialmente separati. Un pacchetto è stato mantenuto approssimativamente fermo rispetto al laboratorio tramite campi magnetici; l’altro è stato lanciato e lasciato in caduta libera. 10

In seguito i due pacchetti sono stati ricombinati. Dall’interferenza tra i due percorsi, i ricercatori hanno ricavato la loro differenza di fase. Poiché i due rami avevano moti e storie gravitazionali differenti, questa misura ha isolato la fase che un pacchetto d’onda quantistico in caduta libera deve accumulare. 10

L’osservazione concorda con la previsione a bassa energia: per un oggetto in libera caduta la gravità può essere eliminata localmente scegliendo un sistema di riferimento in caduta, ma il confronto con un ramo sostenuto nel laboratorio conserva il previsto effetto gravitazionale sulla fase. 10

Che cosa conferma

Il risultato sostiene il principio di equivalenza anche per un oggetto quantistico delocalizzato nello spazio: un atomo di rubidio può trovarsi in una sovrapposizione coerente di percorsi e mostrare comunque la fase di caduta libera attesa dalla fisica einsteiniana. 10

In altre parole, non si è osservato semplicemente che gli atomi «cadono»: è stata letta l’impronta della gravità direttamente nel loro schema di interferenza quantistica.

Che cosa non dimostra

L’esperimento non costituisce una teoria unificata di relatività generale e meccanica quantistica. Nel calcolo, l’atomo è trattato quantisticamente, mentre il campo gravitazionale è uno sfondo classico assegnato: è l’approccio standard, estremamente efficace alle basse energie. 10

Non mostra neppure che la gravità sia un campo quantistico capace di trasportare informazione quantistica. Per affrontare in modo decisivo quella domanda servirebbe, per esempio, osservare un entanglement generato dalla sola interazione gravitazionale tra masse controllate indipendentemente, escludendo con convincenza accoppiamenti non gravitazionali e modelli alternativi. Finora nessun esperimento ha fornito una prova conclusiva della natura quantistica della gravità. 4

Perché non è un test del collasso di Penrose

La proposta di riduzione oggettiva associata a Roger Penrose prevede che una sovrapposizione spaziale possa perdere spontaneamente coerenza quando le distribuzioni di massa in competizione producono una sufficiente autoenergia gravitazionale. In questo quadro, il tempo di collasso si accorcerebbe per masse più grandi e separazioni spaziali maggiori. 5

Qui sono stati usati singoli atomi, in un regime molto lontano dalle sovrapposizioni spaziali massicce e di lunga durata in cui un simile effetto potrebbe diventare verificabile. Osservare la fase prevista non equivale a misurare, o a porre limiti stringenti, a una perdita anomala di visibilità dell’interferenza in funzione di massa, separazione e tempo di mantenimento.

Inoltre, qualsiasi calo di coerenza dovrebbe essere distinto da cause ordinarie: rumore tecnico e magnetico, collisioni, radiazione e altre forme di decoerenza ambientale.

Il prossimo passo: nanodiamanti più massicci

I ricercatori indicano il QGI come un passo verso interferometri di tipo Stern-Gerlach basati su nanodiamanti, non più su atomi. Queste particelle potrebbero essere molto più massicce e contenere un centro azoto-vacanza, il cui spin può essere usato per creare, controllare e leggere una sovrapposizione spaziale. 10

Programmi proposti basati su levitazione magnetica e dispositivi su chip puntano a particelle di circa (10^{-19})–(10^{-15}) kg, estendendo enormemente l’intervallo di massa nel quale verificare la persistenza della coerenza quantistica. 12

Se grandi sovrapposizioni di nanodiamanti ben isolate durassero più a lungo di quanto consenta uno specifico modello di collasso, quel modello ne risulterebbe limitato. Se invece la coerenza sparisse, bisognerebbe prima escludere tutte le spiegazioni convenzionali legate alla decoerenza. 5

Il confronto con il test di caduta atomica su Tiangong

L’esperimento sulla stazione spaziale cinese Tiangong è complementare, non una replica del QGI. Usa un interferometro atomico a doppia specie, con (^{85})Rb e (^{87})Rb, per confrontare l’accelerazione di caduta libera dei due isotopi in orbita: un test quantistico del principio di equivalenza debole, cioè dell’universalità della caduta libera. 12

• Tiangong chiede: isotopi o specie atomiche diverse accelerano allo stesso modo nello stesso campo gravitazionale?
• Il QGI chiede: l’onda di materia di un singolo atomo posto in sovrapposizione accumula, rispetto a un ramo di riferimento non in caduta, la fase prevista per la caduta libera? 10

Entrambi gli esperimenti sostengono la fisica ordinaria del principio di equivalenza con atomi quantistici, ma nessuno dei due rileva da solo una gravità quantizzata. 1012

La conclusione più rigorosa

Le rivendicazioni di presunti «segnali di gravità quantistica» in laboratorio richiedono particolare prudenza. Anche le proposte basate sull’entanglement mediato dalla gravità restano oggetto di dibattito teorico: lavori recenti sostengono che alcuni modelli di gravità classica possano riprodurre effetti simili all’entanglement, assumendo ipotesi diverse da quelle dei consueti teoremi di non-go. 911

L’interpretazione più solida del risultato è dunque circoscritta ma significativa: il Quantum Galileo Interferometer ha osservato in modo diretto una fase quantistica prevista dalla gravità, non ha scoperto la gravità quantistica.