Observing Bell Inequality Violation Beyond the Qubit Bound in a Spinor Bose--Einstein Condensate

La mécanique quantique est célèbre pour permettre à des particules d'être liées de manières qui semblent défier le bon sens. Lorsque deux particules sont intriquées, la mesure de l'une révèle instantanément des informations sur l'autre, quelle que soit la distance qui les sépare. Ce phénomène, connu sous le nom de non-localité, a été mis en lumière pour la première fois par le physicien John Bell, qui a proposé un moyen de tester si ces connexions pouvaient être expliquées par des règles cachées et préexistantes ou si elles nécessitaient réellement une réalité étrange et non classique. Pendant des décennies, les scientifiques ont utilisé ce test pour prouver que la nature est bel et bien quantique, mais ils l'ont fait principalement avec des systèmes simples à deux états, comme des pièces de monnaie qui ne peuvent être que pile ou face. Bien que ces systèmes à deux états soient utiles, ils représentent une vision très limitée du monde quantique. De nombreux systèmes quantiques du monde réel sont plus complexes, capables d'exister simultanément dans trois états ou plus, un peu comme un dé qui peut afficher un, deux, trois, quatre, cinq ou six faces. Comprendre si ces systèmes plus complexes à plusieurs états peuvent également présenter ces profondes connexions non locales a été une question majeure restée ouverte, en particulier lorsqu'il s'agit de vastes groupes de particules où le suivi individuel est impossible.

Une équipe de chercheurs a maintenant répondu à cette question en démontrant qu'un grand nuage d'atomes peut afficher ces liens quantiques complexes d'une manière que les simples systèmes à deux états ne pourraient jamais atteindre. En travaillant avec un condensat de Bose-Einstein de spin-1, un état de la matière où environ 31 000 atomes de rubidium se comportent comme une entité quantique unique, les scientifiques ont créé un type spécifique d'état quantique appelé compression spin-nématique (spin-nematic squeezing). Dans cet état, les atomes ne sont pas seulement liés ; leurs propriétés internes sont corrélées de telle manière que l'incertitude dans certaines mesures est réduite en dessous de ce qui est possible pour n'importe quelle collection de simples particules à deux états. En mesurant le comportement collectif de l'ensemble du nuage sans observer les atomes individuels, les chercheurs ont observé une violation d'une inégalité de Bell qui a dépassé la limite théorique des qubits, les unités standards d'information quantique à deux états. Ce résultat fournit la preuve directe que les atomes agissent comme de véritables systèmes à trois niveaux, ou qutrits, et que leurs corrélations sont fondamentalement plus complexes que tout ce qui est réalisable avec de simples bits quantiques binaires.

L'expérience s'est déroulée dans un laboratoire où les chercheurs ont piégé un nuage d'atomes de rubidium-87 dans un faisceau de lumière focalisé, les refroidissant jusqu'à ce qu'ils forment un condensat de Bose-Einstein. Initialement, tous les atomes ont été préparés dans un état calme spécifique où ils occupaient le niveau d'énergie intermédiaire de leur structure interne. Pour créer les liens quantiques nécessaires, les chercheurs ont utilisé une technique appelée dynamique de mélange de spin. En ajustant soigneusement les champs magnétiques et les fréquences micro-ondes, ils ont déclenché des collisions entre les atomes qui ont provoqué un changement spontané d'états internes pour des paires d'atomes, passant du niveau intermédiaire aux niveaux supérieur et inférieur simultanément. Ce processus, qui a duré environ 95 millisecondes, a généré un état hautement intriqué où les atomes sont compressés de manière à minimiser le bruit aléatoire dans des directions spécifiques. Les chercheurs ont ensuite mesuré les propriétés collectives de l'ensemble du nuage, cherchant des motifs dans la façon dont les atomes étaient distribués parmi leurs trois états internes possibles.

La clé de leur découverte fut un test mathématique, connu sous le nom de témoin de Bell (Bell witness), conçu pour distinguer les corrélations simples à deux états des corrélations plus complexes à trois états. Si les atomes se comportaient comme de simples systèmes à deux états, les résultats de leurs mesures seraient restés à l'intérieur d'une frontière numérique spécifique. Cependant, les données collectées à partir du nuage de rubidium ont clairement franchi cette frontière, descendant bien en dessous de la limite que n'importe quelle collection de particules à deux états pourrait jamais atteindre. Les chercheurs ont calculé que pour produire les résultats observés, près de la moitié des atomes du nuage devaient être décrits comme de véritables systèmes à trois niveaux. Cette découverte écarte la possibilité que les corrélations observées ne soient qu'une version compliquée de l'intrication simple à deux états. Au lieu de cela, elle confirme que le nuage possédait une structure quantique de dimension supérieure plus riche, intrinsèque à la nature de spin-1 des atomes.

Cette réussite est significative car elle prouve que des corrélations quantiques de haute dimension peuvent être détectées dans des systèmes macroscopiques en utilisant uniquement des mesures collectives. Dans de nombreuses expériences précédentes, la vérification de tels états quantiques complexes nécessitait la capacité de contrôler et de mesurer les particules individuellement, une tâche qui devient impossible avec des nuages contenant des dizaines de milliers d'atomes. Ici, les chercheurs ont montré qu'en observant le groupe dans son ensemble, ils pouvaient certifier la dimensionnalité des connexions quantiques sans avoir besoin de voir les atomes individuels. L'expérience a également mis en évidence l'importance de la compression dans deux directions spécifiques simultanément, une condition qui était essentielle pour révéler la nature à trois niveaux des corrélations. Lorsque les chercheurs ont délibérément supprimé la capacité du système à accéder à sa pleine structure tridimensionnelle, la violation quantique spéciale a disparu, confirmant que l'effet reposait sur la pleine complexité des atomes de spin-1.

Ce travail établit les condensats de Bose-Einstein spinoriaux comme une plateforme puissante pour explorer les limites de la théorie quantique dans de grands systèmes en interaction. Il démontre que les étranges connexions non locales prédites par la mécanique quantique ne sont pas limitées aux simples systèmes binaires mais peuvent prospérer dans des environnements plus complexes à plusieurs niveaux. Cela ouvre de nouvelles voies pour tester les fondements de la physique et pourrait conduire à des méthodes améliorées pour la détection quantique et le traitement de l'information, allant au-delà des capacités des technologies standard basées sur les qubits. En montissant que des mesures grossières sont suffisantes pour certifier des ressources quantiques de haute dimension, l'étude propose une voie pratique pour l'investigation de la structure riche et multicouche des corrélations quantiques dans le monde macroscopique.