Interferômetro Quântico Galileo mede a fase de um átomo em queda livre

O Interferômetro Quântico Galileo (QGI, na sigla em inglês) transforma um experimento clássico de gravidade em uma comparação quântica. Em vez de apenas observar um átomo cair, os pesquisadores criaram dois ramos coerentes da onda de um átomo ultrafrio de rubídio-87: um permaneceu parado em relação ao laboratório e o outro foi lançado para cima, entrando depois em queda livre. Quando os dois foram reunidos, o padrão de interferência revelou a diferença de fase acumulada entre os caminhos. 1

Um átomo, dois movimentos

A equipe usou controle dependente do estado quântico para colocar a onda atômica em uma superposição espacial. Um campo magnético sustentou um dos ramos contra a gravidade, mantendo-o fixo no referencial do laboratório. O outro recebeu um pulso de momento e foi preparado em um estado pouco sensível ao gradiente magnético; assim, seguiu uma trajetória balística sob a gravidade da Terra. 1515

Após um intervalo de evolução controlado, os dois ramos foram recombinados. A interferência quântica transforma uma diferença de fase, que não seria visível diretamente, em um sinal mensurável. Essa é a função essencial de um interferômetro atômico: comparar a fase acumulada em duas histórias coerentes do mesmo objeto quântico.

Para o ramo em queda livre, a previsão inclui um termo que cresce como

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

além de um termo dependente da posição. Nessa expressão, (m) é a massa do átomo, (g) é a aceleração da gravidade, (T) é o tempo de evolução livre e (\hbar) é a constante de Planck reduzida. A fase relativa medida concordou com essa previsão. 1

Por que o ramo estacionário faz diferença

Interferômetros atômicos já são usados há muito tempo para medir gravidade, aceleração e efeitos gravitacionais sobre a fase. A característica particular do QGI é a comparação direta entre uma onda em queda livre e uma referência que permanece estacionária, ao mesmo tempo, no referencial terrestre do laboratório. 1

Esse desenho experimental permite investigar a fase ligada à descrição de uma onda quântica em queda em relação ao laboratório. Os pesquisadores interpretam a fase observada como a contraparte quântica da transformação entre um laboratório sustentado e um referencial que cai junto com o objeto, como prevê o princípio da equivalência de Einstein. 1

Por isso, a alegação de ser o “primeiro” experimento deve ser entendida de forma específica: trata-se da primeira medição direta nessa comparação entre um ramo estacionário e outro em queda livre, não da primeira vez que efeitos da gravidade foram observados em interferometria de átomos ou ondas de matéria. 1

O que o resultado confirma

O resultado reforça a compatibilidade entre a evolução usual da fase quântica e o princípio da equivalência no regime terrestre e de baixa energia do experimento. Em termos simples, a onda de matéria em queda livre se comportou como esperado ao se aplicar à mecânica quântica a relação entre os referenciais prevista por esse princípio. 1

É um teste importante na fronteira entre gravidade e física quântica, mas dentro de condições bem definidas: ele mostra que a previsão quântica relevante e a implicação testada da gravidade de Einstein concordam nesse cenário.

O que o experimento não demonstra

O QGI não unifica a mecânica quântica com a relatividade geral. Também não prova que a gravidade seja um campo quântico, não detecta grávitons e não mostra emaranhamento mediado pela gravidade. No experimento, a gravidade atua como um campo clássico externo que governa o movimento do átomo; o que se mede é a resposta da fase quântica do átomo a esse campo. 116

Além disso, a concordância obtida não elimina automaticamente todos os modelos imagináveis que preveem violações do princípio da equivalência. Ela restringe possíveis desvios no regime investigado, enquanto outras hipóteses podem exigir testes diferentes para serem distinguidas. 1

Por que isso não testa o colapso gravitacional de Penrose

Propostas associadas a Diósi e Roger Penrose tratam de outra questão: a possibilidade de um objeto suficientemente massivo, colocado em superposição espacial, perder coerência por efeitos relacionados à gravidade. Testes sensíveis a essas propostas buscam aumentar a massa do objeto, a separação entre os ramos e o tempo durante o qual a coerência é preservada. 316

O QGI, por sua vez, demonstra interferometria coerente com um único átomo e mede uma fase prevista enquanto essa coerência se mantém. Um átomo de rubídio, em um interferômetro de curta duração, não corresponde à superposição espacial macroscópica e duradoura normalmente buscada em testes de modelos de colapso relacionados à gravidade. Portanto, observar interferência nesse caso não confirma nem descarta, por si só, essas propostas.

A próxima fronteira: objetos quânticos mais pesados

Experimentos futuros com partículas mais pesadas — incluindo nanodiamantes e outros sistemas mesoscópicos — pretendem estender a superposição quântica a regimes nos quais desvios em relação à mecânica quântica padrão poderiam ser mais fáceis de detectar. Esses estudos podem testar modelos específicos de descoerência ou de nova física ligada à gravidade, mas seguem sendo tecnicamente desafiadores. 16

O QGI é um marco complementar: ele estabelece uma maneira de ler diretamente uma fase quântica associada à queda livre usando como referência um laboratório estacionário. Interferômetros com objetos mais pesados perseguiriam uma meta relacionada, porém distinta: verificar se a própria coerência quântica muda à medida que massa, separação espacial e tempo de evolução aumentam. 116