Израильские физики под руководством Рона Фольмана из Университета имени Бен-Гуриона создали принципиально новый атомный интерферометр, который получил название Quantum Galileo Interferometer (QGI). Несмотря на то, что атомные интерферометры существуют уже тридцать лет, ни один из них не позволял реализовать замысел учёных. Поэтому исследователи разработали собственное устройство, сообщает Ars Technica.
Установка QGI отличается компактными размерами и работает за счёт микроволновых и магнитных импульсов. В её основе лежит облако примерно из 20 тысяч атомов рубидия, удерживаемых в состоянии конденсата Бозе — Эйнштейна. Эти атомы висят под чипом, который перевёрнут и расположен на высоте около 113 микрометров; удержание обеспечивают токи в микропроводах на поверхности чипа. Микроволновый импульс переводит каждый атом в суперпозицию двух состояний: в одном из них атом чувствителен к магнитному полю, а в другом — нет. Затем магнитный импульс играет роль своеобразной пушки, подбрасывая вверх те атомы, которые реагируют на магнитное поле.
Таким образом суперпозиция состояний превращается в суперпозицию траекторий. Сразу после этого второй микроволновый импульс переводит 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 поле настраивают так, чтобы сила, толкающая атом вверх, точно уравновешивала его вес. В результате атом как бы зависает без движения относительно Земли.
Когда одна из траекторий устремляется вниз, второй магнитный импульс срабатывает как парашют и гасит скорость атома в момент его возвращения в исходную точку. В эксперименте Фольмана максимальное расстояние между двумя траекториями составляло примерно 7,5 микрометра, а самое долгое время полёта достигало двух тысячных секунды. По завершении каждого цикла атомы, попавшие в один из двух выходов интерферометра, разделялись по фазе, накопленной падающей траекторией. Когда исследователи увеличивали продолжительность падения, эта фаза возрастала, что полностью согласуется с теоретическими предсказаниями.
«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», — поясняет Фольман. С точки зрения квантового мира, падающая траектория не испытывает ни гравитации, ни каких-либо других сил, и её волновая функция не должна приобретать дополнительную фазу. Однако с позиции лаборатории гравитация тянет ту же падающую траекторию вниз, поэтому её волна обязана накопить строго определённую фазу, предсказанную теорией. Эта разность фаз действительно проявилась в полученных данных.