Quantum Galileo Interferometer meet zwaartekrachtsfase van vallend atoom

Een internationaal team onder leiding van onderzoekers van de Ben-Gurion Universiteit van de Negev, de Universiteit Ulm en de Universiteit van Oxford heeft met een Quantum Galileo Interferometer rechtstreeks de fase gemeten die een vrij vallende atomaire materiegolf door zwaartekracht opbouwt. De meting komt overeen met de voorspelling van de kwantummechanica wanneer die consequent wordt gecombineerd met Einsteins equivalentieprincipe. 10

Dat is een belangrijke toets van de universaliteit van zwaartekracht in het kwantumregime. Maar de conclusie moet precies worden geformuleerd: het experiment toont niet aan dat zwaartekracht zelf een gekwantiseerd veld is, en verenigt evenmin de algemene relativiteitstheorie met de kwantummechanica. 10

Zo werkte het experiment

De onderzoekers koelden rubidiumatomen tot extreem lage temperaturen. Daarna splitsten zij de golffunctie van elk atoom coherent in twee ruimtelijk gescheiden golfpakketjes. Eén pakketje werd magnetisch ongeveer op zijn plaats gehouden in het laboratorium; het andere werd gelanceerd en viel vrij onder invloed van de zwaartekracht. 10

Vervolgens brachten zij de twee paden weer samen. Uit het interferentiepatroon konden ze het relatieve faseverschil aflezen. Omdat beide takken een andere beweging en zwaartekrachtsgeschiedenis hadden, isoleerde die meting de fase die een vrij vallend kwantumgolfpakket volgens de theorie hoort op te bouwen. 10

De waargenomen fase stemde overeen met de laagenergetische voorspelling. Lokaal gedraagt een vrij vallend object zich alsof zwaartekracht is weggetransformeerd; vergeleken met een referentietak die door een magneet wordt ondersteund, blijft echter precies het voorspelde zwaartekrachteffect zichtbaar. 10

Wat de uitkomst wel aantoont

De proef ondersteunt het equivalentieprincipe voor een ruimtelijk uitgesmeerd kwantumobject. Een rubidiumatoom kan dus tegelijk een coherente superpositie van verschillende posities vormen en toch de vrije-valfase vertonen die volgens de Einsteiniaanse zwaartekracht wordt verwacht. 10

De zwaartekracht wordt in deze berekening behandeld als een voorgeschreven, klassiek achtergrondveld, terwijl het atoom kwantummechanisch wordt beschreven. Dat is het gebruikelijke en zeer succesvolle raamwerk bij lage energieën. Het experiment laat daarom niet zien dat het zwaartekrachtsveld zelf kwantumeigenschappen draagt. 10

Voor een overtuigende toets van de kwantumnatuur van zwaartekracht zou bijvoorbeeld moeten blijken dat zwaartekracht verstrengeling opwekt tussen onafhankelijk gecontroleerde massa’s. Daarbij moeten niet-zwaartekrachtelijke koppelingen en alternatieve verklaringen overtuigend worden uitgesloten. Tot dusver heeft geen experiment sluitend bewijs geleverd dat zwaartekracht een kwantumkarakter heeft. 4

Geen directe test van Penroses instortingsidee

De natuurkundige Roger Penrose heeft voorgesteld dat een ruimtelijke superpositie spontaan coherentie kan verliezen wanneer de concurrerende massaverdelingen voldoende zwaartekrachts-zelfenergie hebben. In zulke modellen wordt de verwachte instorting sneller naarmate de massa groter is en de superpositie verder uit elkaar ligt. 5

Dit experiment gebruikte afzonderlijke atomen en behield coherentie in een gebied dat ver verwijderd is van de zware, langdurige superposities waarin zo’n effect toetsbaar zou moeten worden. Het zien van de voorspelde fase is bovendien iets anders dan het meten van een afwijkend verlies aan interferentiecontrast als functie van massa, afstand en vasthoudtijd.

Daarvoor moet ook gewone decoherentie zeer goed onder controle zijn: botsingen, straling, magnetische ruis en technische imperfecties kunnen allemaal coherentie doen verdwijnen zonder dat zwaartekracht daarvoor verantwoordelijk is.

Waarom nanodiamanten de volgende stap kunnen zijn

De onderzoekers presenteren de Quantum Galileo Interferometer als een stap richting Stern-Gerlach-achtige interferometrie met nanodiamanten in plaats van atomen. Zulke deeltjes kunnen veel zwaarder zijn. Een ingebouwd stikstof-vacaturecentrum (NV-centrum) kan via zijn spin worden gebruikt om een ruimtelijke superpositie te maken, te sturen en uit te lezen. 10

Voorgestelde programma’s met magnetische levitatie en superpositie op een chip richten zich op deeltjes in een veel groter massabereik, ongeveer (10^{-19}) tot (10^{-15}) kilogram. 12 Als grote, goed geïsoleerde nanodiamantsuperposities langer standhouden dan een specifiek instortingsmodel toestaat, zou dat model worden beperkt. Verdwijnt de coherentie wel, dan moeten onderzoekers eerst conventionele decoherentie uitsluiten voordat zij zwaartekracht als oorzaak kunnen aanwijzen. 5

Aanvulling op de Tiangong-proef in de ruimte

De proef aan boord van het Chinese ruimtestation Tiangong onderzoekt een andere vraag en is dus complementair. Daar vergelijkt een atoominterferometer met twee rubidiumisotopen, (^{85})Rb en (^{87})Rb, hun vrije-valversnelling in een baan om de aarde. Het gaat om een kwantumtoets van het zwakke equivalentieprincipe: vallen verschillende soorten materie even snel in hetzelfde zwaartekrachtsveld? 12

De vragen verschillen:

• Tiangong: versnellen verschillende isotopen op dezelfde manier in hetzelfde zwaartekrachtsveld? 12
• Quantum Galileo Interferometer: krijgt de coherente materiegolf van één atoom, vergeleken met een niet-vallende referentietak, de voorspelde vrije-valfase? 10

Beide experimenten ondersteunen de bekende equivalentieprincipefysica met kwantumatomen. Geen van beide detecteert op zichzelf gekwantiseerde zwaartekracht. 1012

De voorzichtige conclusie

Beweringen over een ‘signaal van kwantumzwaartekracht’ in het laboratorium vragen om uitzonderlijke zorgvuldigheid. Zelfs voorgestelde proeven waarin zwaartekracht verstrengeling zou veroorzaken, zijn theoretisch onderwerp van debat: recent werk stelt dat bepaalde klassieke zwaartekrachtkaders onder andere aannames verstrengelingsachtige effecten kunnen voortbrengen. 911

De nuchtere interpretatie is daarom helder: het Quantum Galileo Interferometer heeft een zwaartekrachtvoorspelde kwantumfase rechtstreeks waargenomen. Dat is een schone en betekenisvolle bevestiging van het equivalentieprincipe in het kwantumregime, maar geen ontdekking van kwantumzwaartekracht.