Квантовий інтерферометр Галілея виміряв гравітаційну фазу атома у вільному падінні

Міжнародна група за участю дослідників Університету Бен-Гуріона в Негеві, Ульмського університету та Оксфордського університету безпосередньо виміряла гравітаційну фазу, передбачену для квантового об’єкта у вільному падінні. Їхній квантовий інтерферометр Галілея працював із надхолодними атомами рубідію: одну гілку атомної хвилі утримували у системі відліку лабораторії, а іншу дозволяли вільно падати. Виміряна фаза узгодилася з передбаченням, отриманим із застосуванням принципу еквівалентності Ейнштейна в цьому низькоенергетичному квантовому режимі. 12

Як виміряли фазу вільного падіння

Спершу атоми рубідію охолодили до наднизьких температур, за яких їхню хвильову квантову поведінку можна когерентно контролювати. Далі дослідники розділили хвильову функцію атомів на два просторово відокремлені пакети хвиль. 12

Один пакет утримували приблизно нерухомим відносно лабораторії за допомогою магнітних полів. Другий запускали, а потім переводили у вільне падіння: під час цього падіння експериментатори не прикладали до цієї гілки сил. 2

Через заданий проміжок часу дві гілки знову з’єднали. Їхні хвилі інтерферували, а картина інтерференції містила інформацію про їхню відносну фазу — різницю у квантовій еволюції вздовж двох шляхів. Оскільки одна гілка вільно падала, а іншу підтримували, вчені змогли виокремити фазу, пов’язану саме з квантовим вільним падінням. 2

Що це означає для принципу еквівалентності

Принцип еквівалентності Ейнштейна стверджує: для спостерігача, що вільно падає, локальні ефекти гравітації зникають. Новий дослід перевіряє, як цей принцип узгоджується з матеріальною хвилею, яка когерентно поширена двома різними шляхами.

Виміряна відносна фаза збіглася з передбаченою фазою вільного падіння. У перевіреному режимі це свідчить, що принцип еквівалентності можна послідовно застосовувати до квантового об’єкта, а не лише до класичної частинки з однозначною траєкторією. 12

Важлива відмінність цього досліду від простого вимірювання прискорення атомної хмари полягає в тому, що тут визначали конкретну рису квантової еволюції. Хвильова функція атома перебувала у суперпозиції, а команда зчитувала різницю фаз між її двома гілками. 12

Чого цей результат не доводить

Називати результат відкриттям квантової гравітації було б перебільшенням.

Експеримент не об’єднує квантову механіку із загальною теорією відносності. У такому низькоенергетичному описі атом розглядають квантово, тоді як гравітація виступає класичним фоновим полем. Вимірювання підтверджує, що ця широко застосовувана схема правильно передбачає фазу за досліджених умов. 2

Воно також не встановлює, що сама гравітація є квантовим полем або переносить квантову інформацію. Наразі жоден експеримент не надав остаточного підтвердження квантових властивостей гравітаційної взаємодії. 4855

Один із запропонованих шляхів до такої перевірки — підготувати дві маси у квантових станах і шукати заплутаність, яку породила б лише їхня гравітаційна взаємодія. Однак інтерпретація таких експериментів залежить від теоретичних припущень: триває дискусія, чи можуть деякі моделі класичної гравітації відтворювати ефекти, подібні до заплутаності. 515359

Чому це не перевірка гравітаційного колапсу Пенроуза

Роджер Пенроуз припускав, що достатньо великі просторові суперпозиції можуть спонтанно втрачати когерентність через відмінність своїх розподілів маси. Натомість квантовий інтерферометр Галілея вимірював когерентну фазу атомних матеріальних хвиль; він не був створений для пошуку аномального зниження видимості інтерференції у масивних і довгоживучих суперпозиціях.

Перевірка моделей колапсу потребує дослідів, де можна змінювати масу, просторове розділення та час збереження когерентності, водночас виключаючи звичайні джерела декогеренції. Зіткнення, електромагнітний шум, вібрації та технічні недосконалості також здатні послабити інтерференцію — без жодного нового гравітаційного механізму.

Отже, новий результат підтримує звичайну квантову когерентність в атомному режимі, який вивчали. Але він не підтверджує і не відкидає остаточно моделі колапсу, розраховані на значно більші об’єкти.

Чому наступною ціллю можуть стати нанодіаманти

Запропоновані інтерферометри з нанодіамантами мають перенести експерименти з матеріальними хвилями у значно вищий діапазон мас. Азотно-вакансійний центр усередині нанодіаманта може дати ступінь свободи спіну, який магнітними градієнтами використовують для створення та контролю просторової суперпозиції. 1721

Одна з чипових схем націлена на частинки приблизною масою від (10^{-19}) до (10^{-15}) кілограма. 20 Такі експерименти дозволили б перевірити, чи зберігається квантова когерентність, коли об’єкт стає значно масивнішим і чутливішим до впливу середовища.

Якщо достатньо ізольована масивна суперпозиція проіснує довше, ніж дозволяє конкретна модель колапсу, це обмежить таку модель. Якщо ж інтерференція зникне, спершу доведеться довести, що її не пояснює звичайна декогеренція.

Чим це відрізняється від атомного тесту на станції «Тяньгун»

Квантовий інтерферометр Галілея та експеримент із атомною інтерферометрією на китайській космічній станції «Тяньгун» обидва стосуються гравітації й надхолодних атомів, але ставлять різні запитання.

На «Тяньгун» використали двовидовий атомний інтерферометр із ізотопами (^{85})Rb та (^{87})Rb, щоб порівняти їхні прискорення вільного падіння на орбіті. За 280 днів даних повідомлена невизначеність тесту слабкого принципу еквівалентності становила (2{,}8\times10^{-8}), а результат — ((-3{,}1\pm4{,}6)\times10^{-7}). 3541

Це перевірка універсальності вільного падіння: чи однаково прискорюються різні тестові тіла в одному гравітаційному полі?

Квантовий інтерферометр Галілея, навпаки, порівнює дві гілки однієї когерентної матеріальної хвилі — підтримувану та таку, що вільно падає, — аби виміряти передбачену квантову фазу вільного падіння. 2

Обидва досліди підтримують фізику принципу еквівалентності для квантових атомів. Але жоден із них сам по собі не демонструє квантування гравітації.

Обережний висновок

Квантовий інтерферометр Галілея досяг вузького, але важливого рубежу: він безпосередньо спостеріг гравітаційно передбачену фазу матеріальної хвилі атома у вільному падінні. Збіг із теорією переносить перевірку принципу еквівалентності в ситуацію, де об’єкт перебуває в контрольованій квантовій суперпозиції. 12

Найточніше формулювання значення результату таке: це переконливе свідчення сумісності квантової механіки та принципу еквівалентності Ейнштейна в дослідженому низькоенергетичному режимі. Це не завершена теорія квантової гравітації й поки не тест гравітаційно зумовленого квантового колапсу.