Учёные создали новый атомный интерферометр под названием Quantum Galileo Interferometer (QGI), который позволил проверить предсказания теории относительности на квантовом уровне. Об этом сообщает издание Ars Technica. Хотя атомные интерферометры существуют уже тридцать лет, ни один из них не мог решить задачу, которую поставили перед собой Фольман и его коллеги, поэтому исследователи разработали собственное устройство.
Установка QGI отличается компактными размерами и работает на микроволновых и магнитных импульсах. Внутри неё удерживается около 20 тысяч атомов рубидия в состоянии конденсата Бозе — Эйнштейна. Их положение контролируют токи в микроскопических проводах на чипе, который подвешен перевёрнутым примерно в 113 микрометрах над атомами. Микроволновый импульс переводит каждый атом в суперпозицию двух состояний: в одном из них атом чувствует магнитные силы, а в другом остаётся к ним невосприимчивым. Затем магнитный импульс действует как пушка, подбрасывая вверх атомы, чувствительные к магнитному полю.
Так суперпозиция состояний превращается в суперпозицию траекторий. Сразу после этого второй микроволновый импульс переключает атом в противоположное состояние: та часть суперпозиции, что летит вверх, становится нечувствительной к магнетизму и начинает падать под действием гравитации, не испытывая других воздействий. В то же время её неподвижный двойник приобретает чувствительность к магнитному полю, но его настраивают так, чтобы сила, толкающая атом вверх, точно уравновешивала его вес. В результате атом зависает на месте относительно Земли.
Когда одна из траекторий возвращается вниз, второй магнитный импульс играет роль парашюта и гасит скорость атома в момент его возвращения в исходную точку. В эксперименте Фольмана максимальное расстояние между двумя траекториями составляло около 7,5 микрометра, а самый долгий полёт длился две тысячных секунды. По завершении каждого запуска атомы, попавшие в один из двух выходов интерферометра, сортировались по фазе, накопленной падающей траекторией. По мере удлинения падения эта фаза росла, что согласуется с теорией.
«Когда человек находится в свободном падении, он не ощущает своего веса. У него нет веса. Иногда мы чувствуем нечто подобное в лифте, который очень быстро едет вниз», — приводит издание слова Фольмана. В квантовом мире падающая траектория с точки зрения самого атома не испытывает ни гравитации, ни каких-либо других сил, и её волна не должна приобретать дополнительную фазу. При этом с точки зрения лаборатории гравитация тянет ту же падающую фазу вниз, поэтому её волна должна набрать определённую фазу, предсказанную теорией. Эта разница фаз действительно проявилась в данных.