Kvant-Galileointerferometern mätte gravitationens kvantfas

Kvant-Galileointerferometern, QGI, gör ett välkänt gravitationsexperiment till en kvantjämförelse. I stället för att bara se en atom falla skapade forskarna två koherenta grenar av vågpaketet från en ultrakall rubidium-87-atom. Den ena hölls stilla i förhållande till laboratoriet, medan den andra sköts uppåt och sedan föll fritt. När grenarna senare fick interferera gick det att avläsa fasskillnaden som byggts upp längs de två vägarna. 1

En atom – två rörelser

Med tillståndsberoende styrning placerades atomens vågpaket i en rumslig superposition. Ett magnetfält motverkade tyngdkraften för den ena grenen, så att den hölls på plats i laboratoriets referenssystem. Den andra grenen fick en momentumimpuls och befann sig i ett tillstånd som var okänsligt för den magnetiska gradienten. Därmed följde den en ballistisk bana under jordens gravitation. 1515

Efter en kontrollerad utvecklingstid kombinerades grenarna igen. Kvantinterferensen omvandlar då en annars osynlig fasskillnad till en mätbar signal. Det är kärnan i en atominterferometer: den jämför fasen som samma kvantobjekt samlar på sig längs två koherenta förlopp.

För den fritt fallande grenen innehåller den förutsagda fasen bland annat en term som skalar som

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

samt en positionsberoende term. Här är (m) atomens massa, (g) tyngdaccelerationen, (T) tiden för den fria utvecklingen och (\hbar) den reducerade Planckkonstanten. Den uppmätta relativa fasen stämde överens med förutsägelsen. 1

Därför är den stillastående referensen viktig

Atominterferometrar har länge använts för att mäta gravitation, acceleration och gravitationsorsakade fasförskjutningar. QGI:s särskilda grepp är den direkta jämförelsen mellan ett vågpaket i fritt fall och ett samtidigt stillastående referenspaket i jordens laboratoriereferenssystem. 1

Utformningen gör det möjligt att rikta in sig på fasen som uppstår när den fallande kvantvågen beskrivs relativt laboratoriet. Forskarna tolkar den uppmätta fasen som den kvantmekaniska motsvarigheten till den transformation mellan ett upphängt laboratorium och ett medfallande referenssystem som följer av Einsteins ekvivalensprincip. 1

Påståendet om en ”första” mätning bör alltså förstås snävt. Det gäller denna direkta jämförelse mellan stillastående och fritt fallande vågpaket och mätningen av den förutsagda kvantfasen vid fritt fall – inte den första observationen av gravitation i någon atom- eller materievågsinterferometer. 1

Vad resultatet bekräftar

Resultatet stödjer att vanlig kvantmekanisk fasutveckling är förenlig med ekvivalensprincipen under experimentets jordbundna förhållanden med låg energi. Enkelt uttryckt betedde sig den fritt fallande materievågen som förväntat när gravitationen behandlades genom ekvivalensprincipens samband mellan referenssystem. 1

Detta är ett betydelsefullt precisionstest i gränslandet mellan gravitation och kvantfysik. Det visar att den relevanta kvantförutsägelsen och den testade konsekvensen av Einsteins gravitationsteori överensstämmer under just dessa förhållanden.

Vad experimentet inte visar

Experimentet förenar inte kvantmekaniken med den allmänna relativitetsteorin. Det visar inte heller att gravitation är ett kvantfält, upptäcker en graviton eller påvisar gravitationsförmedlad sammanflätning. I uppställningen fungerar gravitationen som ett yttre klassiskt fält som styr atomens rörelse; det som mäts är atomens kvantfasrespons på fältet. 116

Resultatet är inte heller ett universellt bevis för att varje tänkbar modell som bryter mot ekvivalensprincipen har uteslutits. Överensstämmelsen begränsar vilka avvikelser som kan finnas i den testade regimen, men andra modeller kan kräva andra experiment för att särskiljas. 1

Inte ett test av gravitationsorsakad kollaps

Förslag som förknippas med Diósi och Penrose handlar om en annan fråga: om ett tillräckligt massivt objekt i en rumslig superposition kan förlora sin koherens på grund av gravitationsrelaterade effekter. Sådana förslag motiverar experiment med större massa, större avstånd mellan superpositionens grenar och längre tid under vilken koherensen bevaras. 316

QGI visar i stället koherent interferometri med en enskild atom och mäter en förutsagd fas medan atomen förblir koherent. En rubidiumatom i denna kortvariga interferometer är inte den makroskopiska, långlivade rumsliga superposition som normalt eftersträvas för känsliga test av gravitationsrelaterade kollapsmodeller. Att interferens observeras här bekräftar eller utesluter därför inte sådana förslag i sig.

Nästa gräns: tyngre kvantobjekt

Framtida materievågsexperiment med tyngre partiklar, bland annat nanodiamanter och andra mesoscopiska system, ska föra kvantsuperpositioner till regimer där avvikelser från standardkvantmekaniken kan vara lättare att upptäcka. Sådana experiment kan pröva specifika modeller för dekoherens eller ny gravitationsrelaterad fysik, men är fortfarande tekniskt mycket krävande. 16

QGI är ett kompletterande delmål. Metoden ger ett sätt att direkt läsa av en kvantfas kopplad till fritt fall mot en stillastående laboratoriereferens. Interferometrar för tyngre objekt skulle ha ett annat, men närbesläktat mål: att undersöka om själva kvantkoherensen förändras när massa, rumslig separation och utvecklingstid ökar. 116