Ben-Gurion Üniversitesi Negevの物理学者Ron Folmanが率い、ドイツ、英国、米国の研究者とNobel賞受賞者Roger Penroseが参加するチームは、量子力学と相対性理論の交差領域を調べるため、単一の原子を2つの異なる軌道の重ね合わせ状態に置いた。Quantum Galileo Interferometer（QGI）と呼ばれる装置では、原子の一方の経路を自由落下させ、もう一方の経路では原子をその場に固定した。2つの経路を同時に同じ地点で再結合し、落下によって原子の波動特性に生じた位相差を測定した。
原子の波動性は、絶対零度に近い温度と非常に低い速度でのみ観測できる。位相は単独では測定できないため、単一の粒子を2つの軌道に分け、再び結合する必要がある。しかし自由落下実験では、落下する原子の加速によってどの経路を通ったかという情報が得られるため、量子干渉が乱される可能性があった。チームは、一方の原子を上向きに投げ上げ、重力によって出発点へ戻るようにする一方、もう一方を磁力で空中に固定することで、この問題を解決した。落下した原子が戻る際には、2回目の磁気パルスによって、出発点に到達した瞬間にその速度を止めた。
QGIはマイクロ波と磁気パルスを使用しており、約20,000個のルビジウム原子が、チップ上の微細なワイヤーによって生成される場に保持されたBose-Einstein凝縮体として配置されている。チップは原子の約113マイクロメートル上方に、上下逆向きに置かれている。軌道間の最大距離は約7.5マイクロメートル、最長飛行時間は2ミリ秒に達した。落下時間が長くなるにつれて位相が増大することが観測され、データは理論が予測した位相差を示した。
研究者らは、この結果が、量子重ね合わせ状態にある系でも等価原理が成り立つことを初めて示したと述べた。測定された位相は、理論的予測から2.5％のずれを示した。チームは、この実験がEinsteinの相対性理論と量子力学の境界を検証するためのチェックポイントになると説明した。
Folmanの研究室は現在、原子より10桁重いナノダイヤモンドを重ね合わせ状態にする、より大型のQGIに取り組んでいる。目的は、異なる時空の曲率の重ね合わせを検証し、PenroseとLajos Diósiの仮説で予測されている量子崩壊を観測することだ。チームは、これが四年ないし五年以内に可能になることを期待している。この研究は2026年にScience Advancesに掲載された。DOI: 10.1126/sciadv.aec8045。
なぜ重要なのか
この研究は、等価原理が古典的な物体の運動だけに限られるものではなく、量子重ね合わせ状態にある単一の系についても検証できることを示す実験的根拠を提示している。そのため、この結果は、量子力学と相対性理論を併せて扱う研究において、2つの理論の整合性を評価するために利用できるチェックポイントとなる。測定値が理論的予測から2.5％ずれたことにより、この手法をより大きな系で再検証することが検討課題となっている。特に量子物理学、重力、基礎物理学が交わる領域に取り組む研究者にとって未解決の問題は、この原理が原子よりはるかに重いナノダイヤモンドの重ね合わせ状態でも維持されるのか、また異なる時空の曲率とともにどのように振る舞うのかという点である。