Et atom i kvantesuperposisjon falt som Einstein forutsier

Quantum Galileo Interferometer har direkte målt den gravitasjonsinduserte fasen som bygges opp i en fritt fallende atomær materiebølge. Den målte fasen samsvarer med prediksjonen man får når kvantemekanikken anvendes konsistent sammen med Einsteins ekvivalensprinsipp. Dette er en viktig test av gravitasjonens universalitet i kvanteregimet – ikke et bevis for at gravitasjon selv er kvantisert, eller at kvantemekanikk og generell relativitetsteori er forent. 10

Slik ble eksperimentet gjennomført

Forskerlaget kjølte rubidiumatomer ned til ultralave temperaturer og delte hvert atoms bølgefunksjon koherent i to romlig atskilte bølgepakker.

• Den ene bølgepakken ble magnetisk holdt omtrent i ro i laboratoriets referanseramme.
• Den andre ble sendt av gårde og fikk falle fritt under påvirkning av jordens gravitasjon. 10

Deretter ble bølgepakkene samlet igjen, slik at forskerne kunne måle den relative fasen gjennom interferens. Siden de to grenene hadde ulike bevegelser og ulike gravitasjonshistorier, kunne målingen isolere fasen en fritt fallende kvantebølgepakke skal opparbeide. 10

Resultatet stemte med lavenergi-prediksjonen fra vanlig kvantemekanikk og ekvivalensprinsippet: Lokalt kan et fritt fallende objekt beskrives som om gravitasjonen er «transformert bort», mens faseforskjellen mot en referansegren som holdes oppe, fortsatt inneholder den forventede gravitasjonseffekten. 10

Hva resultatet viser – og ikke viser

Målingen støtter ekvivalensprinsippet for et romlig utbredt kvanteobjekt. Et rubidiumatom kan være i en koherent superposisjon av ulike posisjoner og likevel få den gravitasjonelle frifallsfasen som forventes fra einsteinsk gravitasjon. 10

Det er likevel viktig å ikke trekke konklusjonen for langt:

• Eksperimentet forener ikke generell relativitetsteori og kvantemekanikk. Gravitasjonsfeltet behandles her som en gitt, klassisk bakgrunn, mens atomet beskrives kvantemekanisk. Dette er den etablerte og svært vellykkede lavenergitilnærmingen. 10
• Det demonstrerer heller ikke at gravitasjon er et kvantefelt eller kan bære kvanteinformasjon.
• En mer avgjørende test ville for eksempel kreve observasjon av gravitasjonsskapt sammenfiltring mellom uavhengig kontrollerte masser, samtidig som ikke-gravitasjonelle koblinger og alternative modeller overbevisende utelukkes. Ingen eksperimenter har foreløpig gitt avgjørende bevis for gravitasjonens kvantenatur. 4

Ikke en test av Penroses kollapsidé

Roger Penroses hypotese om objektiv reduksjon foreslår at en romlig superposisjon kan miste koherens spontant når de konkurrerende massefordelingene gir stor nok gravitasjonell selvenergi. Ifølge modellen blir den relevante kollapstiden kortere når massefordelingene blir større og mer adskilte.

Her ble enkeltatomer brukt, og den koherente fasen ble målt i et område som ligger langt fra de massive, langvarige romlige superposisjonene der en slik kollaps forventes å kunne testes. 5

Det avgjørende er at det å observere den forventede fasen ikke er det samme som å måle – eller sette strenge grenser for – et uvanlig tap av interferenssynlighet som funksjon av masse, avstand og oppholdstid. Vanlig miljømessig dekohærens må dessuten kontrolleres nøye, slik at en hypotetisk gravitasjonsrelatert effekt kan skilles fra støy, kollisjoner, stråling, magnetisk støy og tekniske feil.

Hvorfor nanodiamanter kan bli neste steg

Forskerne beskriver Quantum Galileo Interferometer som et steg mot interferometri av Stern–Gerlach-typen med nanodiamanter i stedet for atomer. Slike partikler kan være langt mer massive. Et innebygd nitrogen-vakans-senter, ofte kalt et NV-senter, kan brukes til å opprette, styre og lese ut en romlig superposisjon. 10

• Foreslåtte programmer med magnetisk levitasjon og superposisjon på en brikke sikter mot partikler på omtrent (10^{-19}) til (10^{-15}) kg. Det vil utvide masseområdet der koherens kan undersøkes betydelig. 12
• Dersom store og godt isolerte superposisjoner av nanodiamanter varer lenger enn en bestemt kollapsmodell tillater, kan modellen begrenses. Forsvinner koherensen, må forskerne først utelukke vanlige former for dekohærens før de kan knytte effekten til gravitasjon. 5

Et annet spørsmål enn Tiangongs atomtest

Eksperimentet på den kinesiske romstasjonen Tiangong er komplementært, ikke en gjentakelse. Der brukes et atominterferometer med to isotoper, (^{85})Rb og (^{87})Rb, i bane rundt jorden for å sammenligne deres frifallsakselerasjon. Det er en kvantebasert test av det svake ekvivalensprinsippet – altså om fritt fall er universelt. 12

Forskjellen kan oppsummeres slik:

• Tiangong: Faller ulike atomarter eller isotoper likt i det samme gravitasjonsfeltet?
• Quantum Galileo Interferometer: Får én enkelt atoms materiebølge i romlig superposisjon den spesifikt forutsagte frifallsfasen relativt til en referansegren som ikke faller? 10

Begge forsøkene støtter vanlig ekvivalensprinsippfysikk i kvanteeksperimenter med atomer. Ingen av dem påviser imidlertid kvantisert gravitasjon alene. 1012

Den nøkterne tolkningen

Påstander om «signaler fra kvantegravitasjon» i laboratoriet krever særlig varsomhet. Selv foreslåtte tester basert på gravitasjonsmediert sammenfiltring er teoretisk omstridt: Nyere arbeid argumenterer for at enkelte modeller med klassisk gravitasjon kan gi sammenfiltringslignende effekter under forutsetninger som avviker fra de vanlige teoremene. 911

Den presise konklusjonen er derfor smal, men betydningsfull: Quantum Galileo Interferometer har gitt en ren, direkte observasjon av en gravitasjonelt forutsagt kvantefase. Det er ikke en oppdagelse av kvantegravitasjon.