Kvantinterferometer mäter gravitationens fas i en fallande atom

Ett internationellt forskarlag med deltagare från Ben-Gurion University of the Negev, Ulms universitet och Oxfords universitet har direkt mätt en gravitationsfas hos ett fritt fallande kvantobjekt. Med sin Quantum Galileo Interferometer jämförde de en gren av en rubidiumatoms materievåg som hölls kvar i laboratoriets referensram med en annan gren som fick falla fritt. Den uppmätta fasen stämde med förutsägelsen när Einsteins ekvivalensprincip tillämpas i detta lågenergiska kvantregim. 12

Så fungerade experimentet

Forskarna kylde först rubidiumatomer till extremt låga temperaturer, där atomernas vågliknande kvantegenskaper kan styras koherent. Atomernas vågfunktion delades sedan upp i två rumsligt åtskilda vågpaket. 12

Det ena vågpaketet hölls ungefär stilla i förhållande till laboratoriet med hjälp av magnetfält. Det andra sattes i rörelse och fick därefter falla fritt – i betydelsen att experimentledarna inte lade någon kraft på just den grenen under fallet. 2

Efter en kontrollerad tid fördes vägarna samman igen. När materievågorna överlappar uppstår interferens, ungefär som när vågor på vatten möts. Interferensmönstret innehåller den relativa fasen: skillnaden i hur kvantvågorna har utvecklats längs sina respektive vägar.

Eftersom en gren föll fritt och den andra var uppburen kunde forskarna isolera den fas som förknippas med kvantmekaniskt fritt fall. 2

Vad resultatet säger om Einstein

Einsteins ekvivalensprincip innebär förenklat att en observatör i fritt fall lokalt inte kan skilja gravitation från frånvaron av gravitation. Här prövades hur principen fungerar för en materievåg som koherent är utbredd längs olika vägar.

Den uppmätta relativa fasen överensstämde med den förutsagda fasen för fritt fall. I det undersökta området talar det för att ekvivalensprincipen kan tillämpas konsekvent även på ett kvantobjekt – inte bara på en klassisk partikel med en väldefinierad bana. 12

Det viktiga är att experimentet inte bara följer en atomskys genomsnittliga acceleration. Atomens vågfunktion befann sig i en superposition, och forskarna avläste fasskillnaden mellan dess två grenar. 12

Vad försöket inte visar

Resultatet är inte ett genombrott som förenar kvantmekanik och allmän relativitetsteori.

I den här typen av lågenergiberäkning behandlas atomen kvantmekaniskt, medan gravitationen fungerar som ett klassiskt bakgrundsfält. Försöket bekräftar att den etablerade beskrivningen förutsäger den observerade fasen under de förhållanden som testades. 2

Det visar inte heller att gravitationen själv är ett kvantfält eller kan bära kvantinformation. Inget experiment har hittills gett avgörande belägg för att gravitationsväxelverkan har kvantegenskaper. 4855

En ofta föreslagen väg framåt är att placera två massor i kvanttillstånd och söka efter sammanflätning som uppstår enbart genom deras gravitationella växelverkan. Men hur sådana resultat ska tolkas beror på teoretiska antaganden. Ny forskning diskuterar fortfarande om vissa modeller med klassisk gravitation kan efterlikna sammanflätningsliknande effekter. 515359

Inte ett test av Penroses kollapsidé

Fysikern Roger Penrose har föreslagit att tillräckligt stora rumsliga superpositioner spontant kan förlora sin koherens på grund av sina olika massfördelningar. Quantum Galileo Interferometer mätte i stället en bevarad, koherent fas hos atomära materievågor. Försöket var inte byggt för att leta efter en oväntad minskning av interferensens synlighet hos massiva och långlivade superpositioner.

För att testa sådana kollapsmodeller behöver man kunna variera massa, rumslig separation och koherenstid, samtidigt som vanliga störningskällor utesluts. Kollisioner, elektromagnetiskt brus, vibrationer och tekniska brister kan alla försämra interferensen utan att det säger något om en ny gravitationsmekanism.

Mätningen stöder alltså vanlig kvantkoherens för atomer i det undersökta regimet. Den bekräftar inte – och kan inte heller slutgiltigt avfärda – kollapsmodeller som gäller betydligt större objekt.

Varför nanodiamanter är ett logiskt nästa steg

Föreslagna interferometrar med nanodiamanter skulle kunna flytta materievågsexperiment till betydligt större massor. Ett kväve-vakanscentrum, ett så kallat NV-center, i nanodiamanten kan ge ett spintillstånd som magnetiska gradienter använder för att skapa och styra en rumslig superposition. 1721

Ett förslag för ett chipbaserat experiment siktar på partiklar med massor ungefär mellan (10^{-19}) och (10^{-15}) kilogram. 20 Därmed skulle man kunna undersöka om kvantkoherens består när objektet blir mer massivt och mer känsligt för påverkan från omgivningen.

Om en välisolerad, massiv superposition överlever längre än en viss kollapsmodell förutspår, skulle modellen begränsas. Om interferensen försvinner måste forskarna däremot först visa att vanlig dekoherens inte räcker som förklaring.

Skillnaden mot Tiangongs test av atomers fria fall i omloppsbana

Quantum Galileo Interferometer och atominterferometriexperimentet ombord på Kinas rymdstation Tiangong handlar båda om gravitation och ultrakalla atomer, men de ställer olika frågor.

Tiangong använde en interferometer med två rubidiumisotoper, (^{85})Rb och (^{87})Rb, för att jämföra deras fria fall i omloppsbana. Efter 280 dagars data angavs testets osäkerhet för den svaga ekvivalensprincipen till (2,8\times10^{-8}), och resultatet till ((-3,1\pm4,6)\times10^{-7}). 3541

Detta prövar universaliteten hos fritt fall: accelererar olika testobjekt lika i samma gravitationsfält?

Quantum Galileo Interferometer jämför i stället två grenar av samma koherenta materievåg – en uppburen och en fritt fallande – för att mäta den förutsagda kvantfasen vid fritt fall. 2

Båda resultaten stöder ekvivalensprincipens fysik med kvantatomer. Inget av dem visar på egen hand att gravitationen är kvantiserad.

Den försiktiga slutsatsen

Quantum Galileo Interferometer har nått en avgränsad men viktig milstolpe: den har direkt observerat den gravitationsförutsagda fasen hos en fritt fallande atomär materievåg. Överensstämmelsen med teorin för in ekvivalensprincipen i en situation där objektet befinner sig i en kontrollerad kvantsuperposition. 12

Betydelsen blir starkast när den uttrycks precist: detta är övertygande stöd för att kvantmekanik och Einsteins ekvivalensprincip är förenliga i det lågenergiregim som mättes. Det är varken en färdig teori för kvantgravitation eller ett test av gravitationsdriven kvantkollaps.