Giao thoa kế Galileo lượng tử: quan sát pha hấp dẫn của một nguyên tử đang rơi

Giao thoa kế Galileo lượng tử (Quantum Galileo Interferometer, QGI) đã đo trực tiếp pha do hấp dẫn tạo ra mà một sóng vật chất nguyên tử tích lũy khi rơi tự do. Kết quả phù hợp với dự đoán khi cơ học lượng tử được áp dụng nhất quán cùng nguyên lý tương đương của Einstein. Đây là một phép kiểm tra quan trọng về tính phổ quát của hấp dẫn trong miền lượng tử, nhưng không phải bằng chứng rằng hấp dẫn đã được lượng tử hóa, cũng không phải sự thống nhất giữa cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng. 10

Họ đã thực hiện thí nghiệm ra sao?

Nhóm nghiên cứu làm lạnh các nguyên tử rubidi xuống nhiệt độ siêu thấp, sau đó tách kết hợp hàm sóng của mỗi nguyên tử thành hai gói sóng nằm ở hai vị trí khác nhau.

• Một gói sóng được giữ gần như đứng yên trong hệ quy chiếu phòng thí nghiệm bằng từ trường.
• Gói còn lại được phóng đi và rơi tự do dưới tác dụng của trọng lực. 10

Sau đó, hai gói sóng được ghép lại để tạo giao thoa và các nhà nghiên cứu đọc pha tương đối giữa chúng. Vì hai nhánh có chuyển động và lịch sử hấp dẫn khác nhau, phép đo này tách được pha mà một gói sóng lượng tử rơi tự do phải thu nhận. 10

Pha quan sát được khớp với dự đoán năng lượng thấp của cơ học lượng tử và nguyên lý tương đương: ở gần vật thể đang rơi tự do, có thể coi ảnh hưởng của trọng lực đã được loại bỏ cục bộ; tuy nhiên, khi so sánh với nhánh tham chiếu đang được giữ lại, hiệu ứng pha hấp dẫn dự đoán vẫn xuất hiện. 10

Kết quả này khẳng định điều gì — và chưa khẳng định điều gì?

Kết quả ủng hộ việc áp dụng nguyên lý tương đương cho một vật thể lượng tử không định xứ: nguyên tử rubidi có thể ở trạng thái chồng chập không gian mạch lạc mà vẫn biểu lộ pha rơi tự do theo dự đoán của hấp dẫn Einstein. 10

Tuy vậy, thí nghiệm không hợp nhất thuyết tương đối rộng với cơ học lượng tử. Trong phép tính này, trường hấp dẫn được xem là nền cổ điển đã biết trước, còn nguyên tử được lượng tử hóa — khuôn khổ năng lượng thấp chuẩn và rất thành công hiện nay. 10

Nó cũng chưa cho thấy hấp dẫn là một trường lượng tử hay có thể mang thông tin lượng tử. Một phép kiểm tra có tính quyết định hơn sẽ cần một đại lượng quan sát được, chẳng hạn sự vướng víu do hấp dẫn tạo ra giữa các khối lượng được điều khiển độc lập, đồng thời phải loại trừ thuyết phục các tương tác không do hấp dẫn và những mô hình thay thế. Cho đến nay, chưa có thí nghiệm nào đưa ra bằng chứng kết luận về bản chất lượng tử của hấp dẫn. 4

Vì sao đây không phải phép thử sự sụp đổ Penrose?

Đề xuất “giảm khách quan” của Roger Penrose dự đoán rằng một trạng thái chồng chập không gian có thể tự mất tính mạch lạc khi các phân bố khối lượng cạnh tranh tạo ra tự năng lượng hấp dẫn đủ lớn. Với vật thể càng nặng và hai nhánh càng tách xa, thời gian sụp đổ dự kiến càng ngắn.

QGI sử dụng từng nguyên tử riêng lẻ và đo pha mạch lạc trong một chế độ rất xa các trạng thái chồng chập lớn, nặng và tồn tại lâu — nơi dự đoán này mới có thể được kiểm tra rõ ràng. 5

Điểm then chốt là: thấy pha đúng như dự đoán không đồng nghĩa với việc đã đo, hoặc đặt giới hạn chặt, cho sự suy giảm độ tương phản giao thoa bất thường theo khối lượng, khoảng cách tách nhánh và thời gian giữ. Muốn kiểm tra một cơ chế sụp đổ giả định, các nguồn mất kết hợp thông thường như va chạm, bức xạ, nhiễu từ và sai số kỹ thuật cũng phải được kiểm soát đủ tốt.

Nanokim cương có thể là bước tiếp theo

Nhóm nghiên cứu xem QGI là bước đệm hướng tới giao thoa kiểu Stern–Gerlach với nanokim cương thay vì nguyên tử. Những hạt này có thể nặng hơn rất nhiều; một tâm khuyết nitơ–trống (nitrogen-vacancy, NV) bên trong có thể được dùng để tạo, điều khiển và đọc trạng thái chồng chập không gian của chúng. 10

Các chương trình đề xuất dùng chip, từ trường nâng đỡ và tạo chồng chập nhắm đến các hạt cỡ khoảng (10^{-19}) đến (10^{-15}) kg, qua đó mở rộng mạnh khoảng khối lượng mà tính mạch lạc lượng tử có thể được khảo sát. 12

Nếu các chồng chập nanokim cương lớn và được cô lập tốt tồn tại lâu hơn mức một mô hình sụp đổ cụ thể cho phép, mô hình đó sẽ bị siết chặt. Ngược lại, nếu tính mạch lạc biến mất, cần loại trừ các cơ chế mất kết hợp thông thường trước khi quy nguyên nhân cho hấp dẫn. 5

Khác gì với phép thử rơi nguyên tử trên trạm Tiangong?

Thí nghiệm trên Trạm Vũ trụ Trung Quốc Tiangong mang tính bổ sung, không trùng lặp với QGI. Nó sử dụng giao thoa kế nguyên tử hai đồng vị (^{85})Rb và (^{87})Rb trên quỹ đạo để so sánh gia tốc rơi tự do của chúng — tức phép kiểm tra lượng tử trong không gian đối với nguyên lý tương đương yếu, hay tính phổ quát của rơi tự do. 12

• Tiangong đặt câu hỏi: hai đồng vị nguyên tử khác nhau có rơi với cùng gia tốc trong cùng trường hấp dẫn hay không?
• QGI hỏi: một nguyên tử duy nhất trong trạng thái chồng chập mạch lạc có tích lũy đúng pha rơi tự do dự đoán, khi so với một nhánh tham chiếu không rơi, hay không? 10

Cả hai đều ủng hộ vật lý nguyên lý tương đương trong các thí nghiệm nguyên tử lượng tử, nhưng không thí nghiệm nào tự thân phát hiện hấp dẫn lượng tử. 1012

Cần thận trọng khi diễn giải

Những tuyên bố về “tín hiệu hấp dẫn lượng tử” trong phòng thí nghiệm cần được xem xét rất kỹ. Ngay cả dấu hiệu vướng víu qua trung gian hấp dẫn được đề xuất cũng còn gây tranh luận về mặt lý thuyết: một số công trình gần đây lập luận rằng, với những giả định khác các định lý cấm thường dùng, một số khuôn khổ hấp dẫn cổ điển vẫn có thể tái tạo các hiệu ứng giống vướng víu. 911

Vì vậy, cách diễn giải chặt chẽ nhất là: QGI đã quan sát trực tiếp, một cách sạch, một pha lượng tử được hấp dẫn dự đoán — chứ chưa phải phát hiện ra hấp dẫn lượng tử.