“量子伽利略干涉仪”测到自由落体原子的引力相位

国际团队利用本-古里安大学、德国乌尔姆大学和英国牛津大学参与研制的量子伽利略干涉仪，直接测量了自由下落量子物体应积累的一种引力相位。实验对象是超冷铷原子：研究人员让同一原子的物质波沿两条不同路径演化，再通过干涉读出二者的相对相位。结果与把爱因斯坦等效原理应用于低能量量子体系时的理论预言相符。12

关键之处在于，这并非只是“原子也会下落”的测量，而是对处于空间叠加态的物质波所积累相位的直接测量。

实验是怎样完成的？

研究人员先将铷原子冷却到极低温度，使其波动性质能够被相干地操控；随后将原子的量子波函数分成空间上彼此分离的两支波包。12

• 参考路径：其中一支由磁场支撑，在实验室参考系中大致保持静止。
• 自由落体路径：另一支被发射后进入自由下落阶段，实验人员在其下落期间不对这一路施加作用力。2

经过一段受控时间后，两条路径被重新合并。两支物质波如同水波相遇般发生干涉，而干涉图样携带着它们的相对相位信息——也就是两条路径中量子波演化所累积差异的读数。2

由于一支波包处于被支撑状态，另一支则自由下落，这一设计使团队能够提取与量子自由落体相关的相位。

结果如何支持爱因斯坦等效原理？

爱因斯坦等效原理的核心表述之一是：对于局部自由下落的观察者而言，引力效应可以被“消去”。这项实验将问题推进到量子层面：如果一个原子的物质波同时沿不同路径传播，这一原则是否依然适用？

测得的相对相位与自由下落量子物体的预测相位一致。这表明，在此次实验覆盖的低能量范围内，等效原理能够自洽地用于量子对象，而不只适用于具有确定轨迹的经典粒子。12

这一区别很重要。实验并非仅追踪一团原子的平均加速度；原子的波函数被制备为叠加态，研究人员实际读取的是其两个量子分支之间的相位差。12

它没有证明什么？

首先，这项结果不等于发现了量子引力，也没有完成量子力学与广义相对论的统一。

在该实验对应的低能理论描述中，原子按量子力学处理，而引力场仍作为经典背景存在。实验确认的是：这种广泛使用的框架在所测条件下正确预言了相位。2

它同样没有证明引力本身是量子场，或引力能够携带量子信息。迄今尚无实验为引力相互作用具有量子特征提供决定性证据。4855

一种常被提出的思路，是让两个质量体各自处于量子态，并寻找仅由它们之间引力相互作用产生的纠缠。不过，这类实验结果的解释依赖一定理论前提；近期研究仍在讨论，某些经典引力框架是否也可能再现类似纠缠的效应。515359

为什么这不是对彭罗斯“引力塌缩”设想的检验？

物理学家罗杰·彭罗斯曾提出：足够大、空间分离足够明显的质量叠加态，可能因不同质量分布而自发失去相干性。量子伽利略干涉仪测到的则是原子物质波保持相干时的相位；它并非为寻找大质量、长寿命叠加态中异常的干涉可见度衰减而设计。

要检验这类塌缩设想，需要系统改变物体质量、空间分离距离和相干持续时间，并排除普通退相干来源。粒子碰撞、电磁噪声、机械振动以及仪器技术误差，都可能削弱干涉可见度，却不代表出现了新的引力机制。

因此，这项结果支持的是所研究原子尺度上的常规量子相干性；它既没有证实、也不能决定性排除针对更大物体的塌缩模型。

为什么纳米金刚石是合理的下一步？

纳米金刚石干涉仪的目标，是将物质波实验推进到显著更高的质量范围。嵌入纳米金刚石的氮—空位（NV）色心可提供自旋自由度，研究人员可借助磁场梯度制造并控制空间叠加态。1721

一项基于芯片的方案瞄准约 (10^{-19}) 至 (10^{-15}) 千克质量范围的颗粒。20 这类实验有助于检验：当物体更重、也更容易受环境扰动时，量子相干性能否继续维持。

若一个充分隔离的大质量叠加态在某一塌缩模型预言的极限之外仍能存活，该模型将受到约束；反之，若干涉消失，研究人员仍须首先证明常规退相干无法解释这一现象。

与天宫空间站原子自由落体实验有何不同？

量子伽利略干涉仪与中国空间站天宫上的原子干涉实验，都涉及超冷原子与引力，但提出的是不同问题。

天宫实验使用 (^{85})Rb/(^{87})Rb 双同位素原子干涉仪，比较两种铷原子在轨道环境中的自由落体加速度。基于280天数据，研究报告给出的弱等效原理测试不确定度为 (2.8\times10^{-8})，结果为 ((-3.1\pm4.6)\times10^{-7})。3541

这检验的是自由落体普适性：不同试验物体在同一引力场中是否以相同方式加速。

而量子伽利略干涉仪比较的是同一相干物质波的两个分支：一支被支撑，另一支自由下落，以测量量子自由落体的预测相位。2

两类实验都支持等效原理在量子原子实验中的适用性，但单独来看，二者都不能证明引力已被量子化。

更准确的结论

量子伽利略干涉仪实现了一项明确而重要的里程碑：它直接观测到了自由下落原子物质波的、由引力预言的相位。实验与理论的一致性，将等效原理的检验推进到可控量子叠加态的情境。12

但它的意义应当精确表述：这是量子力学与爱因斯坦等效原理在所测低能量范围内相容的有力证据，不是完整的量子引力理论，也不是对引力导致量子塌缩的直接检验。