Slik målte Kvant-Galileo-interferometeret tyngdekraftens kvantefase

Kvant-Galileo-interferometeret (QGI) gjør et kjent fallforsøk til en kvantesammenligning. I stedet for bare å observere et atom som faller, laget forskerne to sammenhengende grener av bølgepakken til et ultrakaldt rubidium-87-atom: Én ble holdt stasjonær i laboratoriets referanseramme, mens den andre ble skutt oppover og deretter falt fritt. Da grenene senere ble ført sammen, avslørte interferensen faseforskjellen som var bygget opp langs de to veiene. 1

Ett atom, to bevegelser

Forskerne brukte tilstandsavhengig kontroll for å sette atomets bølgepakke i en romlig superposisjon – altså en kvantetilstand der den kan beskrives som om den følger to mulige baner samtidig.

Et magnetfelt motvirket tyngdekraften for den ene grenen og holdt den i ro relativt til laboratoriet. Den andre grenen fikk en momentpuls og ble plassert i en tilstand som ikke var følsom for den magnetiske gradienten. Den fulgte dermed en ballistisk bane, styrt av Jordens gravitasjon. 1515

Etter en kontrollert utviklingstid ble de to grenene kombinert igjen. Interferens gjør en ellers usynlig faseforskjell målbar. Det er nettopp dette et atominterferometer gjør: Det sammenligner fasen som samme kvanteobjekt samler opp langs to koherente «historier».

For grenen i fritt fall inneholder den forutsagte fasen blant annet et bidrag som skalerer som

[
\frac{m g^2 T^3}{6\hbar},
]

samt et ledd som avhenger av posisjon. Her er (m) atomets masse, (g) gravitasjonsakselerasjonen, (T) tiden med fri utvikling og (\hbar) den reduserte Planck-konstanten. Den målte relative fasen stemte med denne prediksjonen. 1

Hvorfor den stasjonære referansen er viktig

Atominterferometre har lenge vært brukt til å måle gravitasjon, akselerasjon og gravitasjonsinduserte faseskift. Det særegne ved QGI er den direkte sammenligningen mellom en fritt fallende bølgepakke og en samtidig stasjonær referansepakke i Jordens laboratorieramme. 1

Dette oppsettet lar forskerne isolere fasen som oppstår når den fallende kvantebølgen beskrives relativt til laboratoriet. De tolker den observerte fasen som kvantemekanikkens motstykke til transformasjonen mellom et støttet laboratorium og en medfallende referanseramme, slik Einsteins ekvivalensprinsipp tilsier. 1

Påstanden om at dette er «første gang», må derfor forstås presist: Den gjelder denne direkte sammenligningen av en stasjonær og en fritt fallende kvantegren, og målingen av den forutsagte frifallsfasen. Den gjelder ikke den første observasjonen av gravitasjon i atom- eller materiebølgeinterferometri generelt. 1

Hva resultatet faktisk bekrefter

Resultatet støtter at vanlig kvantefaseutvikling er forenlig med ekvivalensprinsippet under de jordnære lavenergiforholdene i forsøket. Kort sagt oppførte materiebølgen i fritt fall seg slik teorien forutsier når gravitasjonen beskrives gjennom forholdet mellom laboratorierammen og en ramme som faller med objektet. 1

Det er en betydningsfull presisjonstest i grenselandet mellom gravitasjon og kvantefysikk. Men konklusjonen er avgrenset til betingelsene som faktisk ble undersøkt.

Hva forsøket ikke viser

Forsøket forener ikke kvantemekanikk og generell relativitetsteori. Det viser heller ikke at gravitasjon er et kvantefelt, påviser et graviton eller demonstrerer gravitasjonsformidlet sammenfiltring.

I dette oppsettet behandles gravitasjonen som et ytre, klassisk felt som styrer atomets bevegelse. Det som måles, er atomets kvantemekaniske faserespons på dette feltet. 116

Enighet mellom måling og teori er heller ikke et universelt bevis for at alle tenkelige brudd på ekvivalensprinsippet er utelukket. Den begrenser hvilke avvik som kan finnes i akkurat dette regimet, mens andre modeller kan kreve andre typer forsøk for å skilles fra standardteorien. 1

Ikke en test av Penroses kollapsidé

Forslag knyttet til Lajos Diósi og Roger Penrose handler om et annet spørsmål: Kan et tilstrekkelig massivt objekt i en romlig superposisjon miste kvantekoherensen på grunn av gravitasjonsrelaterte effekter? Slike modeller motiverer eksperimenter med større masse, større avstand mellom superposisjonens grener og lengre tid der koherensen bevares. 316

QGI viser i stedet at interferens fra ett enkelt atom kan holdes koherent lenge nok til å måle den forutsagte fasen. Et rubidiumatom i et kortvarig interferometer er ikke den makroskopiske og langvarige romlige superposisjonen som vanligvis trengs for følsomme tester av gravitasjonsrelatert bølgefunksjonskollaps. At man observerer interferens her, bekrefter eller avkrefter derfor ikke disse forslagene alene.

Neste steg: tyngre kvanteobjekter

Fremtidige materiebølgeforsøk med tyngre partikler, blant annet nanodiamanter og andre mesoskopiske systemer, skal utvide superposisjoner til områder der avvik fra standard kvantemekanikk kan bli lettere å oppdage. Slike forsøk kan teste bestemte modeller for dekohærens eller ny gravitasjonsrelatert fysikk, men er teknisk krevende. 16

QGI er et komplementært gjennombrudd: Metoden gir en direkte avlesning av kvantefasen knyttet til fritt fall, målt mot en stasjonær laboratoriereferanse. Interferometri med tyngre objekter sikter mot noe beslektet, men annerledes: å undersøke om selve kvantekoherensen endrer seg når masse, romlig separasjon og utviklingstid øker. 116