Quantum Galileo-interferometer meet zwaartekrachtsfase van een vallend atoom

Een internationaal team met onderzoekers van de Ben-Gurion-universiteit van de Negev, de Universiteit van Ulm en de Universiteit van Oxford heeft rechtstreeks een door zwaartekracht voorspelde fase gemeten van een vrij vallend kwantumobject. Met hun Quantum Galileo-interferometer vergeleken zij een ultrakoude rubidium-materiegolf die in het laboratorium werd vastgehouden met een tweede tak die vrij mocht vallen. De gemeten fase kwam overeen met de voorspelling wanneer Einsteins equivalentieprincipe in dit laagenergetische kwantumregime wordt toegepast. 12

Wat de onderzoekers precies deden

Rubidiumatomen werden eerst tot extreem lage temperaturen gekoeld. Daardoor kan hun golfachtige kwantumgedrag samenhangend — ofwel coherent — worden gestuurd. Vervolgens splitste de opstelling de golffunctie van de atomen in twee ruimtelijk gescheiden golfpakketjes. 12

Eén tak bleef ongeveer stil ten opzichte van het laboratorium, dankzij magnetische velden. De andere tak werd gelanceerd en daarna vrij gelaten: tijdens die val oefenden de onderzoekers geen kracht op die tak uit. 2

Na een zorgvuldig gekozen tijd brachten zij de twee paden weer samen. De golven interfereerden, vergelijkbaar met twee sets rimpelingen op water die elkaar overlappen. Uit dat interferentiepatroon is de relatieve fase af te lezen: het verschil in kwantumontwikkeling dat de twee paden hebben opgebouwd. Doordat één tak vrij viel en de andere werd ondersteund, kon het team specifiek de fase meten die met kwantumvrije val samenhangt. 2

Wat dit zegt over Einstein

Het equivalentieprincipe van Einstein stelt dat de effecten van zwaartekracht lokaal verdwijnen voor een waarnemer in vrije val. Dit experiment onderzoekt hoe dat principe werkt wanneer een materiegolf coherent over verschillende paden is verdeeld.

De gemeten relatieve fase kwam overeen met de voorspelde fase van vrije val. Binnen het onderzochte regime is dat bewijs dat het equivalentieprincipe consistent kan worden toegepast op een kwantumobject — dus niet alleen op een klassiek deeltje met één duidelijk bepaald traject. 12

Het onderscheid is belangrijk: de proef volgde niet enkel de gemiddelde versnelling van een wolk atomen. De golffunctie van het atoom bevond zich in een superpositie, en de onderzoekers lazen het faseverschil tussen de twee takken uit. 12

Wat het experiment nadrukkelijk niet bewijst

Dit resultaat is geen ontdekking van kwantumzwaartekracht.

Het verenigt de kwantummechanica niet met de algemene relativiteitstheorie. In de gebruikte laagenergetische beschrijving wordt het atoom kwantummechanisch behandeld, terwijl zwaartekracht als een klassiek achtergrondveld fungeert. De meting bevestigt dat dit veelgebruikte raamwerk in de geteste omstandigheden de juiste fase voorspelt. 2

Evenmin toont de proef aan dat zwaartekracht zelf een kwantumveld is of kwantuminformatie overdraagt. Tot nu toe heeft geen experiment doorslaggevend bewijs geleverd voor kwantumeigenschappen van de zwaartekrachtsinteractie. 4855

Een veelbesproken route is om twee massa’s elk in een kwantumtoestand te brengen en te zoeken naar verstrengeling die uitsluitend door hun onderlinge zwaartekracht ontstaat. Maar de betekenis van zo’n meting hangt af van theoretische aannames. Recent werk debatteert bovendien of sommige klassieke-zwaartekrachtmodellen verstrengelingsachtige effecten zouden kunnen reproduceren. 515359

Geen test van Penroses idee van zwaartekrachtinstorting

Roger Penrose heeft voorgesteld dat voldoende grote ruimtelijke superposities spontaan hun coherentie kunnen verliezen door verschillen in hun massaverdelingen. De Quantum Galileo-interferometer mat daarentegen een coherente fase van atomaire materiegolven. De proef was niet ontworpen om te zoeken naar een onverwacht verlies van interferentiecontrast bij zware superposities die lang blijven bestaan.

Om zulke instortingsmodellen te testen, zijn experimenten nodig waarin massa, ruimtelijke scheiding en coherentietijd systematisch kunnen worden gevarieerd, terwijl gewone decoherentie wordt uitgesloten. Botsingen, elektromagnetische ruis, trillingen en technische onvolkomenheden kunnen het interferentiesignaal allemaal verzwakken zonder dat er een nieuw gravitatiemechanisme in het spel is.

De nieuwe meting ondersteunt dus de gewone kwantumcoherentie in het onderzochte atomaire regime. Zij bevestigt niet, maar sluit ook niet beslissend instortingsmodellen uit die op veel grotere objecten zijn gericht.

Waarom nanodiamanten een logische volgende stap zijn

Voorgestelde interferometers met nanodiamanten moeten materiegolfexperimenten naar aanzienlijk grotere massa’s brengen. Een stikstof-vacaturecentrum in een nanodiamant kan een spin leveren waarmee magnetische gradiënten een ruimtelijke superpositie creëren en besturen. 1721

Een voorstel voor een chipgebaseerde opstelling richt zich op de massaklasse van ongeveer (10^{-19}) tot (10^{-15}) kilogram. 20 Daarmee kan worden onderzocht of kwantumcoherentie behouden blijft wanneer een object zwaarder wordt en gevoeliger is voor verstoring uit de omgeving.

Overleeft een goed geïsoleerde, zware superpositie langer dan een specifiek instortingsmodel voorspelt, dan kan dat model worden ingeperkt. Verdwijnt de interferentie, dan moeten onderzoekers eerst overtuigend aantonen dat gewone decoherentie niet de verklaring is.

Het verschil met Tiangong in een baan om de aarde

De Quantum Galileo-interferometer en het atoominterferometrie-experiment op het Chinese ruimtestation Tiangong gaan beide over zwaartekracht en ultrakoude atomen, maar beantwoorden een andere vraag.

Tiangong gebruikte een interferometer met twee rubidiumisotopen, (^{85})Rb en (^{87})Rb, om hun vrije-valversnellingen in een baan om de aarde te vergelijken. Op basis van 280 dagen aan gegevens rapporteerde het team een onzekerheid van (2{,}8\times10^{-8}) voor de test van het zwakke equivalentieprincipe, met als resultaat ((-3{,}1\pm4{,}6)\times10^{-7}). 3541

Dat is een test van de universaliteit van vrije val: versnellen verschillende proefobjecten op dezelfde manier in hetzelfde zwaartekrachtsveld?

De Quantum Galileo-interferometer vergelijkt juist twee takken van dezelfde coherente materiegolf — één ondersteund en één in vrije val — om de voorspelde kwantumfase van vrije val te meten. 2

Beide experimenten ondersteunen de fysica van het equivalentieprincipe met kwantumatomen. Geen van beide toont op zichzelf aan dat zwaartekracht gekwantiseerd is.

De zorgvuldige conclusie

De Quantum Galileo-interferometer heeft een afgebakende maar belangrijke mijlpaal bereikt: de op grond van zwaartekracht voorspelde fase van een vrij vallende atomaire materiegolf is direct waargenomen. De overeenstemming met de theorie breidt een toets van het equivalentieprincipe uit naar een situatie waarin het object zich in een gecontroleerde kwantumsuperpositie bevindt. 12

De betekenis is het sterkst wanneer zij precies wordt geformuleerd: dit is overtuigend bewijs dat kwantummechanica en Einsteins equivalentieprincipe verenigbaar blijven in het gemeten laagenergetische regime. Het is geen voltooide theorie van kwantumzwaartekracht, en evenmin een test van door zwaartekracht veroorzaakte kwantuminstorting.