Bell inequality violation with momentum-entangled massive particles

Durante décadas, los físicos han estado atrapados en un debate silencioso sobre la naturaleza fundamental de la realidad. Por un lado se encuentra la idea del realismo local, una visión de sentido común que sostiene que los objetos tienen propiedades definidas independientemente de si los observamos o no, y que nada puede influir en algo más rápido que la velocidad de la luz. Por el otro lado está la mecánica cuántica, el libro de reglas para lo muy pequeño, que sugiere que las partículas pueden estar vinculadas de formas que desafían estos límites. Este vínculo, conocido como entrelazamiento, significa que medir una partícula revela instantáneamente el estado de su pareja, sin importar qué tan lejos estén. En la década de 1960, un físico llamado John Bell ideó una forma de probar qué visión era la correcta. Creó un límite matemático, ahora llamado desigualdad de Bell, que cualquier teoría basada en el realismo local debe obedecer. Si un experimento rompe este límite, demuestra que el universo no sigue las reglas del realismo local. Durante los últimos cincuenta años, los científicos han roto repetidamente este límite utilizando partículas de luz, o fotones, y los estados de espín internos de partículas más pesadas como los átomos. Sin embargo, nunca lo han hecho utilizando el movimiento real de estas partículas pesadas a través del espacio.

Un equipo de investigadores de la Universidad Nacional Australiana y la Universidad de Queensland ha cerrado ahora esta brecha. Han realizado la primera prueba del teorema de Bell utilizando el movimiento de átomos masivos. En lugar de observar el espín interno de un átomo, observaron hacia dónde iban los átomos y con qué rapidez se movían. Al crear pares de átomos de helio que estaban entrelazados en su cantidad de movimiento, los investigadores demostraron que los movimientos de los átomos estaban correlacionados de una manera que es imposible de explicar con el realismo local. Midieron un valor que excedió el límite establecido por la física clásica por tres desviaciones estándar, confirmando que las extrañas conexiones no locales de la mecánica cuántica se aplican al movimiento físico de la materia tal como ocurre con la luz.

El experimento comenzó con una nube de átomos de helio enfriada a temperaturas cercanas al cero absoluto, formando un estado de la materia conocido como condensado de Bose-Einstein. En este estado, los átomos se comportan como una sola onda gigante en lugar de partículas individuales. Los investigadores liberaron esta nube de un lazo magnético y la dejaron caer libremente. Luego utilizaron pulsos de luz láser para dar un pequeño empujón a los átomos, provocando que colisionaran y se dispersaran. Estas colisiones fueron cuidadosamente controladas para producir pares de átomos que salían disparados en direcciones opuestas. Debido a las leyes de conservación, si un átomo de un par se movía en una dirección determinada, su compañero tenía que moverse exactamente en la dirección opuesta. Este proceso creó dos capas esféricas de átomos, conocidas como halos de dispersión, donde cada átomo en un lado de la capa tenía un gemelo en el lado opuesto, moviéndose en perfecta oposición.

El desafío era medir estos átomos en movimiento de una manera que pudiera probar el teorema de Bell. Los intentos previos con partículas masivas dependían de la medición de propiedades internas como el espín, que son más fáciles de manipular. Medir el movimiento en sí mismo es mucho más difícil porque los átomos se mueven a través del espacio, y las herramientas utilizadas para medirlos suelen afectar a todo el grupo a la vez. Para resolver esto, el equipo desarrolló un nuevo método utilizando una red láser de resonancia dual. Esta técnica les permitió abordar dos grupos específicos de átomos dentro de los halos de dispersión de forma independiente. Podían aplicar un pulso láser a la mitad superior de la capa y un pulso diferente a la mitad inferior, cambiando la fase, o el tiempo, de las ondas de los átomos en cada región sin afectar a la otra. Este control independiente fue la pieza faltante que había impedido tal prueba hasta ahora.

Una vez preparados los átomos, los investigadores utilizaron un interferómetro de ondas de materia, un dispositivo que divide y recombina las ondas atómicas, para medir las correlaciones entre los pares. Establecieron cuatro combinaciones diferentes de configuraciones para los pulsos láser y contaron con qué frecuencia llegaban juntos átomos de las regiones superior e inferior a detectores específicos. Si los átomos siguieran las reglas del realismo local, las correlaciones entre sus tiempos de llegada se mantendrían por debajo de cierto límite. Sin embargo, los datos mostraron una clara violación de este límite. Los investigadores calcularon un valor de 2.52, que es significativamente mayor que el valor máximo de 2 permitido por el realismo local. La incertidumbre en su medición fue lo suficientemente pequeña como para que el resultado sea una confirmación robusta de la no localidad cuántica en el movimiento de partículas masivas.

Este logro es más que un hito técnico; cambia el alcance de lo que sabemos sobre la mecánica cuántica. Por primera vez, tenemos la prueba de que las conexiones "espeluznantes" predichas por la teoría cuántica gobiernan la trayectoria real de la materia a través del espacio, no solo sus estados internos. El experimento demuestra que el movimiento de un átomo pesado está sujeto a las mismas reglas cuánticas fundamentales que un fotón de luz. Los investigadores utilizaron aproximadamente 38,000 disparos experimentales para reunir sus datos, asegurando que el resultado no fuera una casualidad. También verificaron que sus hallazgos fueran consistentes a través de diferentes tamaños de áreas de detección, descartando errores causados por cómo agruparon los datos.

Las implicaciones de este trabajo se extienden más allá de la prueba en sí. La capacidad de controlar independientemente las fases de átomos en movimiento abre la puerta a nuevos tipos de mediciones de precisión. Proporciona una plataforma poderosa para estudiar cómo la mecánica cuántica interactúa con la gravedad, un campo que sigue siendo uno de los mayores misterios sin resolver de la física. Al utilizar partículas masivas que son sensibles a los campos gravitatorios, los científicos pueden ahora diseñar experimentos para ver si la gravedad afecta el entrelazamiento cuántico de formas que la luz no puede revelar. Los investigadores también señalaron que esta configuración podría utilizarse para probar el entrelazamiento entre diferentes isótopos de helio, ofreciendo una forma única de explorar la relación entre la masa, la gravedad y la no localidad cuántica. Este trabajo completa un objetivo de larga data en el campo de la óptica atómica, trasladando el estudio de la extrañeza cuántica del mundo interno de los átomos al mundo externo de su movimiento.