Nytt atominterferometer måler gravitasjonens kvantefase i fritt fall

Et internasjonalt forskerlag med deltakere fra Ben-Gurion University of the Negev, Universitetet i Ulm og University of Oxford har direkte målt en gravitasjonsfase som er forutsagt for et fritt fallende kvanteobjekt. Med et Quantum Galileo Interferometer sammenlignet de en atom-bølge som ble holdt i laboratoriets referanseramme med en annen del av samme bølge som fikk falle fritt. Den målte fasen stemte med prediksjonen når Einsteins ekvivalensprinsipp anvendes i dette lavenergi-kvanteområdet. 12

Slik fungerte instrumentet

Forskerne kjølte rubidiumatomer til ekstremt lave temperaturer, der atomenes bølgeegenskaper kan styres sammenhengende. Deretter delte de atomenes kvantetilstand i to romlig adskilte bølgepakker – to mulige veier for samme materiebølge. 12

Den ene veien ble holdt omtrent i ro i forhold til laboratoriet ved hjelp av magnetfelt. Den andre ble skutt ut og deretter satt i fritt fall: Forskerne påførte ingen krefter på denne grenen mens den falt. 2

Etter et kontrollert tidsintervall ble de to bølgepakkene ført sammen igjen. Da oppstod interferens, på samme måte som når bølger på vann overlapper. Interferensmønsteret inneholder den relative fasen – forskjellen i kvanteutviklingen som de to veiene har samlet opp. Ved å sammenligne en støttet gren med en fritt fallende gren kunne laget måle fasen som er knyttet til kvante-fritt fall. 2

Hva funnet sier om Einsteins ekvivalensprinsipp

Ekvivalensprinsippet sier, forenklet, at en observatør i fritt fall lokalt ikke kan skille gravitasjon fra fravær av gravitasjon. Det nye resultatet undersøker hvordan dette prinsippet fungerer når objektet ikke bare følger én klassisk bane, men er en materiebølge i en kontrollert superposisjon.

Den målte relative fasen samsvarte med den forutsagte frifallsfasen. I området som ble testet, er dette støtte for at ekvivalensprinsippet kan anvendes konsistent også på et kvanteobjekt – ikke bare på en klassisk partikkel med en veldefinert bane. 12

Det sentrale er at forsøket ikke bare måler gjennomsnittlig akselerasjon for en atomsky. Det avleser faseforskjellen mellom to grener av samme bølgefunksjon. 12

Dette viser forsøket ikke

Resultatet bør ikke omtales som en oppdagelse av kvantegravitasjon.

Det forener ikke kvantemekanikk og generell relativitetsteori. I denne typen lavenergiberegning behandles atomet kvantemekanisk, mens gravitasjonen beskrives som et klassisk bakgrunnsfelt. Målingen bekrefter at dette velbrukte rammeverket gir riktig fase under de undersøkte betingelsene. 2

Forsøket slår heller ikke fast at gravitasjonsfeltet selv er et kvantefelt, eller at gravitasjon overfører kvanteinformasjon. Ingen eksperimenter har så langt levert avgjørende bevis for kvanteegenskaper ved gravitasjonsvekselvirkningen. 4855

En ofte foreslått vei videre er å plassere to masser i kvantetilstander og lete etter sammenfiltring som bare kan skyldes gravitasjonsvekselvirkningen. Men hva slike forsøk kan fortelle, avhenger av teoretiske antakelser. Nyere arbeid diskuterer fortsatt om enkelte modeller med klassisk gravitasjon kan gi sammenfiltringslignende effekter. 515359

Ikke en test av Penroses kollapshypotese

Roger Penrose har foreslått at tilstrekkelig store romlige superposisjoner kan miste kvantesammenheng spontant fordi de tilsvarer ulike massefordelinger. Quantum Galileo Interferometer målte derimot en sammenhengende fase for atomare materiebølger. Det var ikke laget for å lete etter et uvanlig tap av interferenssynlighet i tunge superposisjoner som varer lenge.

En test av slike kollapsmodeller krever forsøk der masse, romlig avstand og sammenhengstid kan varieres, samtidig som vanlige kilder til dekoherens utelukkes. Kollisjoner, elektromagnetisk støy, vibrasjoner og tekniske ufullkommenheter kan alle svekke interferensen uten at det peker mot en ny gravitasjonsmekanisme.

Målingen støtter derfor vanlig kvantesammenheng i atomregimet som ble undersøkt. Den verken bekrefter eller utelukker avgjørende kollapsmodeller som er rettet mot langt større objekter.

Hvorfor nanodiamanter er et naturlig neste steg

Foreslåtte interferometre med nanodiamanter skal flytte materiebølgeforsøk til et vesentlig høyere masseområde. Et nitrogen-vakansesenter – ofte kalt et NV-senter – inne i nanodiamanten kan gi en spintilstand som magnetiske gradienter bruker til å lage og styre en romlig superposisjon. 1721

Ett brikkebasert forslag sikter mot partikler med masse omtrent mellom (10^{-19}) og (10^{-15}) kilogram. 20 Slike forsøk kan undersøke om kvantesammenheng holder seg når objektet blir langt mer massivt og mer utsatt for påvirkning fra omgivelsene.

Dersom en godt isolert, massiv superposisjon varer lenger enn en bestemt kollapsmodell tillater, vil det kunne begrense modellen. Forsvinner interferensen, må forskerne først vise at vanlig dekoherens ikke kan forklare resultatet.

Forskjellen fra Tiangongs test i bane

Quantum Galileo Interferometer og atominterferometriforsøket på Kinas romstasjon Tiangong handler begge om gravitasjon og ultrakalde atomer, men de stiller ulike spørsmål.

Tiangong brukte et atominterferometer med to rubidiumisotoper, (^{85})Rb og (^{87})Rb, for å sammenligne deres akselerasjon i fritt fall i bane. Etter 280 dager med data rapporterte forskerne en usikkerhet i testen av det svake ekvivalensprinsippet på (2,8\times10^{-8}), og et resultat på ((-3,1\pm4,6)\times10^{-7}). 3541

Det er en test av universaliteten til fritt fall: Akselererer ulike testlegemer på samme måte i det samme gravitasjonsfeltet?

Quantum Galileo Interferometer sammenligner i stedet to grener av den samme sammenhengende materiebølgen, der én holdes oppe og én faller fritt, for å måle den forutsagte kvantefasen ved fritt fall. 2

Begge forsøkene støtter fysikken bak ekvivalensprinsippet med kvanteatomer. Ingen av dem viser alene at gravitasjonen er kvantisert.

Den presise konklusjonen

Quantum Galileo Interferometer har nådd en avgrenset, men viktig milepæl: Forskerne har direkte observert den gravitasjonsforutsagte fasen til en fritt fallende atomar materiebølge. Samsvaret med teorien utvider en test av ekvivalensprinsippet til en situasjon der objektet befinner seg i en kontrollert kvantesuperposisjon. 12

Betydningen er størst når den uttrykkes nøkternt: Resultatet er solid støtte for at kvantemekanikk og Einsteins ekvivalensprinsipp er forenlige i lavenergiområdet som ble målt. Det er ikke en ferdig teori for kvantegravitasjon, og heller ikke en test av gravitasjonsdrevet kvantekollaps.