«Квантовый интерферометр Галилея» измерил фазу свободного падения атома — но это ещё не квантовая гравитация

Международная команда с участием исследователей Университета Бен-Гуриона в Негеве, Ульмского университета и Оксфордского университета напрямую измерила фазу, которую набирает свободно падающая атомная волна под действием гравитации. Результат совпал с предсказанием, получаемым при согласованном применении квантовой механики и принципа эквивалентности Эйнштейна. 10

Это важная проверка универсальности гравитации в квантовом режиме. Однако опыт не означает, что учёные квантовали гравитацию, и не является объединением квантовой механики с общей теорией относительности.

Как устроен «Квантовый интерферометр Галилея»

В опыте использовали атомы рубидия, охлаждённые до сверхнизких температур. Волновую функцию каждого атома когерентно разделяли на два пространственно разнесённых волновых пакета — два возможных пути одной квантовой системы. 10

• Один пакет магнитным способом удерживали почти неподвижным относительно лаборатории.
• Второй запускали так, чтобы он свободно падал в гравитационном поле Земли.
• Затем обе ветви снова сводили вместе и считывали их относительную интерференционную фазу. 10

Поскольку у ветвей были разные траектории и разные гравитационные «истории», измеренная разность фаз позволила выделить именно фазу, которую должна накопить свободно падающая квантовая волна. 10

Что именно подтверждает результат

Принцип эквивалентности, лежащий в основе теории Эйнштейна, в упрощённой формулировке говорит: в достаточно малой области свободно падающая система ведёт себя так, словно гравитации нет. Но при сравнении с ветвью, которую удерживают в лабораторной системе отсчёта, гравитационный эффект проявляется в измеримой фазе.

Именно эту предсказанную фазу и увидели исследователи. Тем самым опыт поддерживает применимость принципа эквивалентности к делокализованному квантовому объекту: атом может одновременно находиться в когерентной суперпозиции двух положений и при этом демонстрировать ожидаемое гравитационное поведение. 10

Почему это не открытие квантовой гравитации

В расчёте, который проверял эксперимент, атом описывается квантовой механикой, а гравитационное поле Земли — заданным классическим фоном. Это стандартный и чрезвычайно успешный низкоэнергетический подход. 10

Опыт не показывает, что гравитационное поле само является квантовым объектом или способно передавать квантовую информацию. Для более прямой проверки такой гипотезы, например, потребовалось бы надёжно наблюдать запутывание между независимо контролируемыми массами, вызванное именно гравитационным взаимодействием, и исключить все негравитационные связи и альтернативные объяснения. Пока ни один эксперимент не дал окончательного подтверждения квантовой природы гравитации. 4

Более того, даже интерпретация гипотетического гравитационно-опосредованного запутывания остаётся предметом теоретических споров: в недавних работах утверждается, что некоторые модели классической гравитации также способны воспроизводить эффекты, похожие на запутывание, если отказаться от предпосылок стандартных теорем о невозможности такого результата. 911

Это не проверка «коллапса Пенроуза»

Гипотеза объективной редукции Роджера Пенроуза предполагает, что пространственная суперпозиция может самопроизвольно терять когерентность, если конкурирующие распределения массы создают достаточно большую гравитационную собственную энергию. В этой модели время коллапса уменьшается с ростом массы и расстояния между ветвями суперпозиции.

В данном опыте использовали отдельные атомы. Режим эксперимента далёк от массивных и долговременно сохраняющихся пространственных суперпозиций, в которых эффект Пенроуза мог бы стать проверяемым. 5

Само наблюдение ожидаемой фазы не равнозначно измерению или строгому ограничению дополнительной потери видимости интерференции в зависимости от массы, разделения ветвей и времени удержания. Кроме того, для такой проверки пришлось бы отделить возможный гравитационный эффект от обычной декогеренции — столкновений, излучения, магнитного шума и технических несовершенств установки.

Зачем нужны нанодиа-манты

Авторы рассматривают «Квантовый интерферометр Галилея» как шаг к интерферометрии типа опыта Штерна—Герлаха не с атомами, а с нанодиа-мантами. Такие частицы могут быть намного тяжелее; встроенный азотно-вакансионный центр может служить спиновым датчиком для создания, управления и считывания пространственной суперпозиции. 10

Предложенные программы магнитной левитации и создания суперпозиций на чипе нацелены на частицы массой примерно от (10^{-19}) до (10^{-15}) кг, что существенно расширит доступный диапазон масс для проверки сохранения квантовой когерентности. 12

Если у крупных, хорошо изолированных нанодиа-мантов суперпозиция сохранится дольше, чем допускает конкретная модель коллапса, это ограничит такую модель. Если же когерентность исчезнет, сначала потребуется исключить все обычные источники декогеренции — и лишь затем обсуждать гравитационное объяснение. 5

Чем опыт отличается от испытания на станции «Тяньгун»

Эксперимент на китайской космической станции «Тяньгун» дополняет эту работу, но отвечает на другой вопрос. На борту станции двухвидовой атомный интерферометр сравнивает ускорения свободного падения изотопов (^{85})Rb и (^{87})Rb. Это орбитальная квантовая проверка слабого принципа эквивалентности — универсальности свободного падения. 12

• «Тяньгун» проверяет, падают ли разные атомные виды или изотопы одинаково в одном и том же гравитационном поле.
• «Квантовый интерферометр Галилея» проверяет, набирает ли пространственно разделённая волна одного атома именно ту фазу свободного падения, которую предсказывает теория, относительно удерживаемой опорной ветви. 10

Оба эксперимента поддерживают обычную физику принципа эквивалентности в опытах с квантовыми атомами. Но ни один из них сам по себе не обнаруживает квантованную гравитацию. 1012

Итог следует формулировать аккуратно: это чистое прямое наблюдение гравитационно предсказанной квантовой фазы, а не открытие квантовой гравитации.