Квантовий інтерферометр Галілея виміряв фазу вільного падіння атома

Міжнародна команда за участю дослідників Університету Бен-Гуріона в Негеві, Ульмського університету та Оксфордського університету створила Quantum Galileo Interferometer — «квантовий інтерферометр Галілея». Прилад безпосередньо виміряв гравітаційно зумовлену фазу, яку накопичує хвиля матерії атома під час вільного падіння. Результат збігся з передбаченням, що випливає з квантової механіки, узгодженої з принципом еквівалентності Ейнштейна. 10

Це важлива перевірка універсальності гравітації для квантового об’єкта. Однак вона не означає, що вчені квантували гравітацію або об’єднали квантову механіку із загальною теорією відносності.

Як працював експеримент

Дослідники охолодили атоми рубідію до наднизьких температур і когерентно розділили хвильову функцію кожного атома на два просторово рознесені хвильові пакети. Один із них магнітно утримували майже нерухомим у лабораторній системі відліку, а другий запускали так, щоб він вільно падав. 10

Згодом обидві компоненти знову поєднували й зчитували їхню відносну інтерференційну фазу. Оскільки ці дві гілки мали різний рух і різну «гравітаційну історію», вимір дозволив виділити фазу, яку повинна набувати хвильова функція вільно падаючого атома. 10

Простіше кажучи, експеримент не просто перевіряв, чи падає атом. Він перевіряв, як гравітація позначається на квантовій фазі атома, який водночас описується двома просторовими траєкторіями.

Що саме підтверджує результат

Спостережена фаза відповіла низькоенергетичному передбаченню, що поєднує звичайну квантову механіку з принципом еквівалентності. Локально об’єкт у вільному падінні поводиться так, наче дію гравітації можна «прибрати» вибором системи відліку, але відносно гілки, яку підтримують у лабораторії, зберігається передбачуваний гравітаційний фазовий зсув. 10

Отже, дослід підтримує принцип еквівалентності для делокалізованого квантового об’єкта: атом рубідію може бути в когерентній просторовій суперпозиції та водночас демонструвати фазу вільного падіння, очікувану з ейнштейнівського опису гравітації. 10

Чого цей результат не доводить

У розрахунку гравітаційне поле задають як класичний фоновий вплив, а квантовим об’єктом є сам атом. Це стандартний і дуже успішний опис для низьких енергій, але він не є теорією квантової гравітації. 10

Тому експеримент не демонструє, що гравітація має квантову природу, переносить квантову інформацію або є квантовим полем. Для переконливішої перевірки знадобився б інший тип спостереження — наприклад, гравітаційно породжена заплутаність між двома незалежно керованими масами — із надійним виключенням негравітаційних взаємодій та альтернативних пояснень. Наразі жоден експеримент не надав остаточного доказу квантової природи гравітації. 4

Чому це не перевірка «колапсу Пенроуза»

Пропозиція Роджера Пенроуза щодо об’єктивної редукції припускає, що просторова суперпозиція може спонтанно втратити когерентність, якщо конкуруючі розподіли маси створюють достатньо велику гравітаційну власну енергію. Для більших і сильніше рознесених масових розподілів очікуваний час такого колапсу має скорочуватися. 5

У цьому досліді використовували поодинокі атоми й вимірювали когерентну фазу в режимі, дуже далекому від масивних і довгоживучих просторових суперпозицій, де ефект Пенроуза міг би стати доступним для перевірки. 5

Побачити очікувану фазу — не те саме, що виміряти або суворо обмежити аномальне падіння видимості інтерференції залежно від маси, відстані між гілками та часу утримання. До того ж будь-яке послаблення когерентності треба відділити від звичайної декогеренції: шумів, зіткнень, випромінювання, магнітних збурень і технічних недосконалостей.

Навіщо дослідникам нанодіаманти

Автори описують QGI як крок до інтерферометрії типу досліду Штерна—Герлаха не з атомами, а з нанодіамантами. Такі частинки можуть бути значно масивнішими; вбудований азотно-вакансійний центр може слугувати для створення, контролю та зчитування їхньої просторової суперпозиції. 10

Саме масивні, добре ізольовані суперпозиції дали б змогу серйозніше перевіряти моделі спонтанного колапсу. Якщо вони зберігатимуть когерентність довше, ніж допускає конкретна модель, це обмежить таку модель. Якщо ж когерентність зникне, насамперед доведеться виключити звичайні джерела декогеренції, перш ніж пов’язувати ефект із гравітацією. 5

Чим це відрізняється від експерименту на станції «Тяньгун»

Дослід на китайській космічній станції «Тяньгун» є доповненням, а не повторенням цього експерименту. Там двовидовий атомний інтерферометр із ізотопами рубідію ^85Rb і ^87Rb порівнює їхні прискорення вільного падіння на орбіті. Це квантова перевірка слабкого принципу еквівалентності — універсальності вільного падіння. 12

Різницю можна сформулювати так:

• «Тяньгун» питає: чи однаково прискорюються різні атомні види або ізотопи в одному гравітаційному полі?
• QGI питає: чи набуває хвиля матерії одного атома в когерентній суперпозиції саме тієї фази вільного падіння, яку передбачає теорія, відносно опорної гілки, що не падає? 10

Обидва підходи підтримують звичайну фізику принципу еквівалентності в атомних квантових експериментах. Проте жоден із них сам по собі не є виявленням квантованої гравітації. 1012

Обережність із гучними висновками

Заяви про лабораторні «сигнали квантової гравітації» потребують особливо суворої перевірки. Навіть запропоновані ознаки гравітаційно індукованої заплутаності залишаються предметом теоретичних дискусій: окремі нові роботи стверджують, що деякі моделі класичної гравітації також можуть відтворювати ефекти, подібні до заплутаності, за припущень, відмінних від тих, що використовуються у звичних теоремах про неможливість такого явища. 911

Найточніше формулювання висновку таке: QGI чисто й безпосередньо зафіксував передбачену гравітацією квантову фазу вільно падаючого атома. Це значущий результат для фундаментальної фізики, але не відкриття квантової гравітації.