Kvant-Galileo-interferometern mätte gravitationens fas på en fallande atomvåg

Ett internationellt forskarlag har med en så kallad Quantum Galileo Interferometer direkt mätt den gravitationsinducerade fas som en fritt fallande atomvåg samlar på sig. Mätningen stämde med den förutsägelse man får när vanlig kvantmekanik tillämpas konsekvent tillsammans med Einsteins ekvivalensprincip. Det är därmed ett betydelsefullt test av gravitationens universalitet i kvantregimen – men inte ett belägg för att gravitationen i sig har kvantiserats, eller för att kvantmekanik och allmän relativitet har förenats. 10

Så gick experimentet till

Forskarna kylde rubidiumatomer till ultralåga temperaturer och delade koherent varje atoms vågfunktion i två rumsligt skilda vågpaket. Det ena paketet hölls med magnetiska fält ungefär stilla i laboratoriets referenssystem. Det andra skickades i väg och fick falla fritt. 10

Därefter fördes vågpaketen samman igen. När de överlappar interfererar de, och den relativa fasen kan läsas av. Eftersom de två grenarna haft olika rörelser och olika gravitationshistoria kunde forskarna isolera den fas som ett fritt fallande kvantvågpaket ska få. 10

Den uppmätta fasen överensstämde med lågenergiprediktionen. Ekvivalensprincipen säger i korthet att ett objekt i fritt fall lokalt beter sig som om gravitationen kan ”transformeras bort”. Men jämfört med en gren som hålls uppe i laboratoriet kvarstår den förutsagda gravitationsrelaterade faseffekten. 10

Vad resultatet visar – och inte visar

Experimentet stöder ekvivalensprincipen även för ett delokaliserat kvantobjekt: en rubidiumatom kan befinna sig i en koherent rumslig superposition och ändå uppvisa den fria-fallsfas som Einstein-inspirerad gravitationsfysik förutsäger. 10

Det innebär däremot inte att forskarna har förenat allmän relativitet med kvantmekaniken. I beräkningen behandlas gravitationsfältet som en given klassisk bakgrund, medan atomen beskrivs kvantmekaniskt. Det är den etablerade och mycket framgångsrika lågenergibeskrivningen. 10

Resultatet visar inte heller att gravitationen är ett kvantfält eller kan bära kvantinformation. Ett avgörande test skulle exempelvis kunna behöva visa att gravitation skapar intrassling mellan två oberoende kontrollerade massor – samtidigt som icke-gravitationella kopplingar och alternativa modeller övertygande utesluts. Hittills har inget experiment gett slutgiltiga belägg för gravitationens kvantnatur. 4

Inte ett test av Penroses kollapshypotes

Roger Penroses idé om objektiv reduktion innebär att en rumslig superposition kan förlora sin koherens spontant när de konkurrerande massfördelningarna ger en tillräckligt stor gravitationell självenergi. Enligt modellen blir kollapstiden kortare för större och mer åtskilda massfördelningar. 5

Här användes enskilda atomer, och forskarna mätte en koherent fas i ett område som ligger långt från de massiva, långlivade rumsliga superpositioner där en sådan kollapsförutsägelse väntas kunna prövas.

Att den förväntade fasen observeras är alltså inte samma sak som att mäta, eller snävt begränsa, en avvikande förlust av interferenssynlighet som funktion av massa, separation och hålltid. Dessutom måste vanlig miljöorsakad dekoherens kontrolleras: kollisioner, strålning, magnetiskt brus och tekniska störningar kan alla minska koherensen utan att gravitationen är orsaken.

Varför nanodiamanter är nästa intressanta steg

Forskarna beskriver QGI som ett steg mot Stern–Gerlach-liknande interferometri med nanodiamanter i stället för atomer. Sådana partiklar kan vara mycket mer massiva och kan innehålla ett kväve-vakanscentrum, ett så kallat NV-center. Dess spinn skulle kunna användas för att skapa, styra och läsa ut en rumslig superposition. 10

Föreslagna chipbaserade upplägg med magnetisk levitation och superposition siktar på partiklar i storleksordningen (10^{-19}) till (10^{-15}) kg, vilket skulle utvidga massområdet för koherenstester kraftigt. 12

Om stora och välisolerade nanodiamantsuperpositioner består längre än vad en angiven kollapsmodell tillåter skulle modellen begränsas. Om koherensen däremot försvinner måste forskarna först utesluta konventionell dekoherens innan effekten kan tillskrivas gravitation. 5

Komplement till Tiangongs test av fritt fall

Experimentet på den kinesiska rymdstationen Tiangong är ett komplement, inte en upprepning. Där används en atominterferometer med två rubidiumisotoper, (^{85})Rb och (^{87})Rb, för att jämföra deras accelerationer i fritt fall i omloppsbana. Det är ett kvantbaserat test av den svaga ekvivalensprincipen, alltså att fritt fall är universellt. 12

• Tiangong frågar: faller olika atomarter eller isotoper lika snabbt i samma gravitationsfält?
• QGI frågar: får en enskild atoms koherent superponerade materievåg den specifikt förutsagda fria-fallsfasen relativt en referensgren som inte faller fritt? 10

Båda experimenten stödjer den vanliga ekvivalensprincipen i atomexperiment, men inget av dem påvisar på egen hand kvantiserad gravitation. 1012

Den viktiga försiktigheten

Påståenden om laboratoriemätta ”signaler från kvantgravitation” kräver särskilt stor försiktighet. Även föreslagna signaturer där gravitation skulle skapa intrassling är teoretiskt omdiskuterade. Nyare arbeten argumenterar för att vissa klassiska gravitationsramverk kan reproducera intrasslingsliknande effekter med andra antaganden än dem i de vanliga omöjlighetsteoremen. 911

Den återhållsamma tolkningen är därför tydlig: QGI-resultatet är en ren och direkt observation av en gravitationsförutsagd kvantfas. Det är inte upptäckten av kvantgravitation.