Bell inequality violation with momentum-entangled massive particles

Seit Jahrzehnten sind Physiker in einer stillen Debatte über die grundlegende Natur der Realität gefangen. Auf der einen Seite steht die Vorstellung des lokalen Realismus, eine gesunde Ansicht, nach der Objekte feste Eigenschaften besitzen, egal ob wir sie beobachten oder nicht, und dass nichts schneller als die Lichtgeschwindigkeit etwas anderes beeinflussen kann. Auf der anderen Seite steht die Quantenmechanik, das Regelwerk für das extrem Kleine, das nahelegt, dass Teilchen auf eine Weise miteinander verknüpft sein können, die diese Grenzen sprengt. Diese Verbindung, bekannt als Verschränkung, bedeutet, dass die Messung eines Teilchens augenblicklich den Zustand seines Partners offenbart, egal wie weit sie voneinander entfernt sind. In den 1960er Jahren entwickelte ein Physiker namens John Bell einen Weg, um zu testen, welche Sichtweise korrekt war. Er entwarf eine mathematische Grenze, die heute als Bellsche Ungleichung bezeichnet wird und die jede Theorie, die auf lokalem Realismus basiert, befolgen muss. Wenn ein Experiment diese Grenze durchbricht, beweist dies, dass das Universum nicht den Regeln des lokalen Realismus folgt. In den letzten fünfzig Jahren haben Wissenschaftler diese Grenze wiederholt unter Verwendung von Lichtteilchen, oder Photonen, und den internen Spin-Zuständen schwererer Teilchen wie Atomen durchbrochen. Sie haben dies jedoch noch nie unter Verwendung der tatsächlichen Bewegung dieser schweren Teilchen durch den Raum getan.

Ein Forschungsteam der Australian National University und der University of Queensland hat nun diese Lücke geschlossen. Sie haben den ersten Test des Bellschen Theorems unter Verwendung der Bewegung massiver Atome durchgeführt. Anstatt auf die interne Spin-Eigenschaft eines Atoms zu schauen, untersuchten sie, wohin die Atome gingen und wie schnell sie sich bewegten. Durch die Erzeugung von Paaren von Heliumatomen, die in ihrem Impuls verschränkt waren, zeigten die Forscher, dass die Bewegungen der Atome auf eine Weise korreliert waren, die mit lokalem Realismus nicht zu erklären ist. Sie maßen einen Wert, der das Limit der klassischen Physik um drei Standardabweichungen überschritt, und bestätigten damit, dass die seltsamen, nicht-lokalen Verbindungen der Quantenmechanik auch für die physikalische Bewegung von Materie gelten, genau wie für Licht.

Das Experiment begann mit einer Wolke aus Heliumatomen, die auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt wurde, wodurch ein Materiezustand bekannt als Bose-Einstein-Kondensat entstand. In diesem Zustand verhalten sich die Atome wie eine einzige riesige Welle statt wie einzelne Teilchen. Die Forscher ließen diese Wolke aus einer magnetischen Falle entweichen und fielen sie frei. Dann nutzten sie Laserlichtpulse, um die Atome anzustoßen, was sie kollidieren und streuen ließ. Diese Kollisionen wurden sorgfältig kontrolliert, um Paare von Atomen zu erzeugen, die in entgegengesetzte Richtungen davonfliegen. Aufgrund der Gesetze der Erhaltung musste, wenn ein Atom eines Paares in eine bestimmte Richtung bewegte, sein Partner sich in exakt die entgegengesetzte Richtung bewegen. Dieser Prozess erzeugte zwei sphärische Atomschalen, bekannt als Streu-Halos, bei denen jedes Atom auf einer Seite der Schale ein Zwilling auf der gegenüberliegenden Seite war, der sich in perfekter Opposition bewegte.

Die Herausforderung bestand darin, diese bewegten Atome auf eine Weise zu messen, die das Bellsche Theorem testen konnte. Frühere Versuche mit massiven Teilchen stützten sich auf die Messung interner Eigenschaften wie des Spins, die leichter zu manipulieren sind. Die Messung der Bewegung selbst ist viel schwieriger, da die Atome durch den Raum fliegen und die Werkzeuge, die man zur Messung verwendet, meist die gesamte Gruppe gleichzeitig beeinflussen. Um dies zu lösen, entwickelte das Team eine neue Methode unter Verwendung eines dual-resonanten Lasergitters. Diese Technik ermöglichte es ihnen, zwei spezifische Gruppen von Atomen innerhalb der Streu-Halos unabhängig voneinander anzusprechen. Sie konnten einen Laserpuls auf die obere Hälfte der Schale und einen anderen Puls auf die untere Hälfte anwenden, wodurch sie die Phase, oder den Zeitverlauf, der Wellen der Atome in jeder Region veränderten, ohne die andere zu beeinflussen. Diese unabhängige Kontrolle war das fehlende Puzzleteil, das einen solchen Test bis jetzt verhindert hatte.

Nachdem die Atome vorbereitet worden waren, nutzten die Forscher ein Materiewellen-Interferometer – ein Gerät, das die atomaren Wellen spaltet und wieder vereint –, um die Korrelationen zwischen den Paaren zu messen. Sie stellten vier verschiedene Kombinationen von Einstellungen für die Laserpulse auf und zählten, wie oft Atome aus den oberen und unteren Regionen gemeinsam an spezifischen Detektoren ankamen. Wenn die Atome den Regeln des lokalen Realismus gefolgt wären, würden die Korrelationen zwischen ihren Ankunftszeiten unter einem bestimmten Limit bleiben. Die Daten zeigten jedoch eine klare Verletzung dieses Limits. Die Forscher berechneten einen Wert von 2,52, was signifikant höher ist als der maximale Wert von 2, der durch den lokalen Realismus erlaubt wird. Die Unsicherheit ihrer Messung war gering genug, dass das Ergebnis eine robuste Bestätigung der quantenmechanischen Nichtlokalität in der Bewegung massiver Teilchen darstellt.

Diese Errungenschaft ist mehr als nur ein technischer Meilenstein; sie verändert den Umfang dessen, was wir über die Quantenmechanik wissen. Zum ersten Mal haben wir den Beweis, dass die „spukhaften“ Verbindungen, die die Quantentheorie vorhersagt, die tatsächliche Flugbahn von Materie durch den Raum bestimmen und nicht nur deren interne Zustände. Das Experiment demonstriert, dass die Bewegung eines schweren Atoms denselben fundamentalen Quantenregeln unterliegt wie ein Photon aus Licht. Die Forscher verwendeten etwa 38.000 experimentelle Schüsse, um ihre Daten zu sammeln, um sicherzustellen, dass das Ergebnis kein Zufall war. Sie verifizierten auch, dass ihre Ergebnisse konsistent über verschiedene Größen der Detektionsbereiche hinweg waren, was Fehler ausschloss, die durch die Art und Weise ihrer Datengruppierung entstanden sein könnten.

Die Auswirkungen dieser Arbeit erstrecken sich über den Test selbst hinaus. Die Fähigkeit, die Phasen bewegter Atome unabhängig zu kontrollieren, öffnet die Tür zu neuen Arten von Präzisionsmessungen. Sie bietet eine leistungsstarke Plattform für die Untersuchung der Frage, wie die Quantenmechanik mit der Gravitation interagiert – ein Feld, das eines der größten ungelösten Rätsel der Physik bleibt. Indem sie massive Teilchen verwenden, die empfindlich auf Gravitationsfelder reagieren, können Wissenschaftler nun Experimente entwerfen, um zu sehen, ob die Gravitation die Quantenverschränkung auf eine Weise beeinflusst, die Licht nicht offenbaren kann. Die Forscher merkten auch an, dass dieser Aufbau dazu verwendet werden könnte, die Verschränkung zwischen verschiedenen Isotopen von Helium zu testen, was eine einzigartige Möglichkeit bietet, die Beziehung zwischen Masse, Gravitation und Quanten-Nichtlokalität zu erforschen. Diese Arbeit vervollständigt ein langjähriges Ziel in der Atomoptik, indem sie die Untersuchung der „Quanten-Verrücktheit“ von der internen Welt der Atome auf die externe Welt ihrer Bewegung überträgt.