Ein von dem Physiker Ron Folman von der Ben-Gurion-Universität des Negev geleitetes Team aus Forschern aus Deutschland, dem Vereinigten Königreich und den USA, an dem auch der Nobelpreisträger Roger Penrose beteiligt war, brachte ein einzelnes Atom in eine Superposition zweier unterschiedlicher Bahnen, um die Schnittstelle zwischen Quantenmechanik und Relativitätstheorie zu untersuchen. In der als Quantum Galileo Interferometer (QGI) bezeichneten Anordnung befand sich ein Atom auf einer der Bahnen im freien Fall, während das Atom auf der anderen Bahn an Ort und Stelle festgehalten wurde. Die beiden Bahnen wurden gleichzeitig am selben Ort zusammengeführt, wodurch der durch den Fall im Wellenverhalten des Atoms erzeugte Phasenunterschied gemessen wurde.
Die Wellennatur von Atomen kann nur bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt und bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten beobachtet werden. Da die Phase allein nicht gemessen werden kann, muss ein einzelnes Teilchen in zwei Bahnen aufgeteilt und anschließend wieder zusammengeführt werden. Im Freifallexperiment hätte die Beschleunigung des fallenden Atoms jedoch die Quanteninterferenz stören können, weil sie Informationen darüber geliefert hätte, welchen Weg es genommen hatte. Das Team löste dieses Problem, indem es eines der Atome nach oben schoss und durch die Schwerkraft zu seinem Ausgangspunkt zurückkehren ließ, während es das andere durch eine magnetische Kraft in der Luft festhielt. Während das fallende Atom zurückkehrte, brachte ein zweiter magnetischer Impuls seine Geschwindigkeit genau in dem Moment zum Stillstand, in dem es den Ausgangspunkt erreichte.
Das QGI verwendet Mikrowellen- und magnetische Impulse; etwa 20.000 Rubidiumatome werden als Bose-Einstein-Kondensat angeordnet, das von den Feldern mikroskopischer Drähte auf einem Chip gehalten wird. Der Chip befindet sich kopfüber etwa 113 Mikrometer über den Atomen. Der größte Abstand zwischen den Bahnen betrug etwa 7,5 Mikrometer, während die längste Flugzeit zwei Tausendstelsekunden erreichte. Es wurde beobachtet, dass die Phase mit zunehmender Falldauer zunahm, und die Daten zeigten den von der Theorie vorhergesagten Phasenunterschied.
Die Forscher erklärten, dass das Ergebnis erstmals zeige, dass das Äquivalenzprinzip in einem System in Quantenüberlagerung gilt. Die gemessene Phase wich um 2,5 Prozent von der theoretischen Vorhersage ab. Das Team erklärte, das Experiment sei ein Kontrollpunkt zur Untersuchung der Grenze zwischen Einsteins Relativitätstheorie und der Quantenmechanik.
Folmans Labor arbeitet nun an einem größeren QGI, mit dem Nanodiamanten, die 10 Größenordnungen schwerer als Atome sind, in eine Überlagerung versetzt werden sollen. Ziel ist es, die Überlagerung verschiedener Raumzeitkrümmungen zu testen und den in der Hypothese von Penrose und Lajos Diósi vorhergesagten Quantenzusammenbruch zu beobachten. Das Team hofft, dass dies innerhalb von vier oder fünf Jahren möglich sein wird. Die Studie wurde 2026 in Science Advances veröffentlicht; DOI: 10.1126/sciadv.aec8045.
Warum wichtig
Diese Studie liefert eine experimentelle Grundlage dafür, dass das Äquivalenzprinzip nicht nur auf die Bewegung klassischer Körper beschränkt ist, sondern auch an einem einzelnen System in Quantenüberlagerung getestet werden kann. Daher stellt das Ergebnis in der Forschung, die Quantenmechanik und Relativität gemeinsam betrachtet, einen Kontrollpunkt dar, der zur Bewertung der Übereinstimmung zwischen den beiden Theorien genutzt werden kann. Die Abweichung der Messung um 2,5 Prozent von der theoretischen Vorhersage wirft die Frage auf, ob die Methode an größeren Systemen erneut getestet werden kann. Insbesondere für Forscher, die an der Schnittstelle von Quantenphysik, Gravitation und fundamentaler Physik arbeiten, lautet die offene Frage, ob dieses Prinzip auch in der Überlagerung von Nanodiamanten, die deutlich schwerer als Atome sind, erhalten bleibt und wie es sich gemeinsam mit verschiedenen Raumzeitkrümmungen verhält.