Квантовый интерферометр Галилея впервые измерил фазу свободного падения атома

Международная группа с участием исследователей из Университета Бен-Гуриона в Негеве, Ульмского университета и Оксфордского университета напрямую измерила квантовую фазу, которую гравитация должна сообщать свободно падающему объекту. В установке, названной квантовым интерферометром Галилея, использовали ультрахолодные атомы рубидия: одну ветвь атомной волны удерживали относительно лаборатории, а другую отпускали в свободное падение. Измеренная разность фаз совпала с предсказанием, получаемым при применении принципа эквивалентности Эйнштейна в данном низкоэнергетическом квантовом режиме. 12

Это важный, но узко определённый результат. Он показывает согласованность квантовой механики и принципа эквивалентности в конкретном эксперименте — однако не означает, что физики уже объединили квантовую теорию с общей теорией относительности или доказали квантовую природу гравитации.

Как работал интерферометр

Атомы рубидия охладили до экстремально низких температур, при которых их волновыми квантовыми свойствами можно когерентно управлять. Затем волновую функцию атомов разделили на два пространственно разнесённых волновых пакета — две ветви одной квантовой системы. 12

Одну ветвь магнитными полями удерживали приблизительно неподвижной относительно лаборатории. Другую запускали, после чего оставляли в свободном падении: во время падения экспериментаторы не прикладывали к ней сил. 2

Спустя заданный промежуток времени ветви вновь соединяли. При наложении они интерферируют, подобно кругам на воде. Картина интерференции содержит информацию об их относительной фазе — разности, накопленной квантовыми волнами по двум путям. Поскольку одна ветвь свободно падала, а другая оставалась поддержанной, исследователи смогли выделить фазу, связанную именно с квантовым свободным падением. 2

Что это говорит о принципе эквивалентности

Принцип эквивалентности Эйнштейна утверждает, что для локального наблюдателя в свободном падении действие гравитации исчезает. Новый опыт проверяет, сохраняется ли это описание для волны материи, когерентно распределённой по разным путям.

Полученная относительная фаза совпала с предсказанной фазой свободного падения. В проверенном режиме это означает, что принцип эквивалентности последовательно применим и к квантовому объекту, а не только к классической частице с одной определённой траекторией. 12

Существенно, что учёные измеряли не просто среднее ускорение атомного облака. Атомная волновая функция находилась в суперпозиции, а прибор считывал фазовую разность между её ветвями. 12

Чего опыт не доказывает

Называть результат открытием квантовой гравитации было бы неверно.

Эксперимент не объединяет квантовую механику и общую теорию относительности. В расчёте атом описывается квантово-механически, а гравитация выступает классическим фоновым полем. Это стандартная низкоэнергетическая схема, и здесь она верно предсказала наблюдаемую фазу. 2

Работа также не устанавливает, что гравитация сама является квантовым полем или переносит квантовую информацию. Пока ни один эксперимент не дал окончательного свидетельства квантовых свойств гравитационного взаимодействия. 4855

Один из предлагаемых путей к такой проверке — подготовить два массивных тела в квантовых состояниях и искать запутанность, возникающую исключительно из-за их гравитационного взаимодействия. Но трактовка подобных опытов зависит от теоретических допущений: продолжается дискуссия о том, могут ли отдельные модели классической гравитации воспроизводить эффекты, похожие на запутанность. 515359

Почему это не проверка гравитационного коллапса Пенроуза

Роджер Пенроуз предлагал, что достаточно массивные пространственные суперпозиции могут самопроизвольно терять когерентность из-за различающихся распределений массы. Квантовый интерферометр Галилея, напротив, измерял когерентную фазу атомных волн; он не был рассчитан на поиск аномального падения видимости интерференции у массивных и долгоживущих суперпозиций.

Для проверки таких моделей нужны эксперименты, в которых можно варьировать массу, пространственное разделение ветвей и время когерентности, одновременно исключая обычные причины декогеренции. Столкновения с остаточным газом, электромагнитный шум, вибрации и технические несовершенства тоже способны уменьшать видимость интерференции — безо всякой новой гравитационной физики.

Поэтому новый результат поддерживает обычную квантовую когерентность в исследованном атомном режиме. Он не подтверждает и не исключает окончательно модели коллапса, рассчитанные на намного более крупные объекты.

Почему следующим объектом могут стать наноалмазы

Предлагаемые интерферометры с наноалмазами должны вывести эксперименты с волнами материи в существенно более тяжёлый диапазон. Азотно-вакансионный центр в наноалмазе может служить спиновой степенью свободы; магнитные градиенты позволяют создавать и контролировать пространственную суперпозицию такого объекта. 1721

Одна из чиповых схем рассчитана на частицы приблизительной массы от (10^{-19}) до (10^{-15}) кг. 20 Это позволит исследовать, сохраняется ли квантовая когерентность, когда объект становится тяжелее и сильнее подвержен влиянию окружающей среды.

Если хорошо изолированная массивная суперпозиция просуществует дольше предела, который допускает конкретная модель коллапса, такую модель можно будет ограничить. Если же интерференция исчезнет, сначала потребуется убедительно показать, что причиной не стала обычная декогеренция.

Чем опыт отличается от эксперимента на станции «Тяньгун»

Квантовый интерферометр Галилея и атомно-интерферометрический эксперимент на китайской космической станции «Тяньгун» оба изучают гравитацию с помощью ультрахолодных атомов, но отвечают на разные вопросы.

На «Тяньгуне» двухвидовой интерферометр с изотопами (^{85})Rb и (^{87})Rb сравнивал ускорения их свободного падения на орбите. По данным, собранным за 280 дней, сообщённая неопределённость проверки слабого принципа эквивалентности составила (2{,}8\times10^{-8}), а результат — ((-3{,}1\pm4{,}6)\times10^{-7}). 3541

Это проверка универсальности свободного падения: одинаково ли ускоряются в одном гравитационном поле разные пробные тела.

Квантовый интерферометр Галилея, напротив, сопоставляет две ветви одной и той же когерентной волны материи — поддерживаемую и свободно падающую — чтобы измерить предсказанную квантовую фазу свободного падения. 2

Оба опыта согласуются с физикой принципа эквивалентности для квантовых атомов. Но ни один из них сам по себе не демонстрирует, что гравитация квантована.

Осторожный вывод

Квантовый интерферометр Галилея достиг конкретной и значимой цели: он напрямую наблюдал предсказанную гравитацией фазу свободно падающей волны атома. Совпадение с теорией расширяет проверку принципа эквивалентности на ситуацию, где объект находится в контролируемой квантовой суперпозиции. 12

Именно такова корректная формулировка значимости результата: это веское свидетельство совместимости квантовой механики и принципа эквивалентности Эйнштейна в измеренном низкоэнергетическом режиме, но не завершённая теория квантовой гравитации и не проверка гравитационно обусловленного квантового коллапса.