Квантовий «Галілей»: що насправді виміряв експеримент з атомами рубідію

Експеримент міжнародної команди під керівництвом Рона Фольмана став прямим вимірюванням гравітаційно зумовленої різниці квантових фаз. Дослідники порівняли дві когерентні «історії» надхолодних атомів рубідію: в одній гілці атоми магнітно утримували проти сили тяжіння, в іншій — запускали вгору, після чого вони рухалися по балістичній траєкторії вільного падіння. За зміщенням інтерференційної картини команда визначила різницю фаз між цими шляхами. Вона, у межах точності установки, відповідала прогнозу, що випливає з принципу еквівалентності Ейнштейна. 24

Як працював «квантовий Галілей»

Мікрохвильові імпульси перевели атоми поблизу атомного чипа в суперпозицію: вони одночасно відповідали двом внутрішнім станам і двом різним траєкторіям. Магнітні поля майже нерухомо підтримували одну гілку, тоді як друга здійснювала рух угору і вниз під дією земного тяжіння. Коли гілки знову поєднали, накопичена між ними різниця фаз проявилася як вимірюваний інтерференційний сигнал. 24

Це важливо тому, що перевіряється не лише класичний рух тіла в полі тяжіння. Експеримент безпосередньо стосується квантової інтерференції: гравітація впливає на відносну фазу двох когерентних альтернатив еволюції атома.

Що результат підтверджує

У режимі окремих атомів і слабкого гравітаційного поля Землі спостереження узгоджується одночасно зі звичайною квантовою еволюцією та з передбаченням принципу еквівалентності для таких шляхів. Це прямий інтерференційний тест фази, пов’язаної з вільним падінням, а не просто вимірювання класичної траєкторії. 24

Чого цей результат не доводить

Водночас із нього не випливає, що:

• квантова механіка вже поєднана із загальною теорією відносності;
• гравітація доведено є квантовою;
• виявлено гравітони;
• експеримент розрізнив квантовий і класичний опис гравітації.

Для переконливішої перевірки квантової природи гравітації потрібна була б, наприклад, демонстрація того, що саме гравітаційна взаємодія здатна створювати заплутаність між достатньо добре ізольованими масивними об’єктами. 23

Де тут ідея Роджера Пенроуза

Роджер Пенроуз пропонував інший, гравітаційно пов’язаний сценарій: просторова суперпозиція масивного тіла відповідала б двом різним викривленням простору-часу. На його думку, така ситуація могла б бути нестійкою, а квантова когерентність — самовільно зникати за час, пов’язаний із різницею гравітаційної власної енергії двох розподілів маси. 9

Один атом рубідію надто легкий, щоб бути чутливим тестом такого масозалежного механізму. Перевіряти моделі типу Діоші—Пенроуза варто на важчих системах, здатних довго зберігати просторову суперпозицію: наприклад, на левітованих нанодіамантах або інших мезоскопічних частинках. 19

Ключова умова — відокремити можливий фундаментальний ефект від звичайної декогеренції, яку спричиняють зіткнення з молекулами, теплове випромінювання, вібрації та інші шуми. Когерентність, що зберігається довше за передбачення моделі, обмежувала б її параметри. Натомість відтворюване додаткове згасання інтерференції з очікуваною залежністю від маси, розділення гілок і часу було б аргументом на її користь — однак і тоді необхідно було б виключити альтернативні джерела шуму. 19