Bell inequality violation with momentum-entangled massive particles

Depuis des décennies, les physiciens sont enfermés dans un débat silencieux sur la nature fondamentale de la réalité. D'un côté se trouve l'idée du réalisme local, une vision de bon sens selon laquelle les objets possèdent des propriétés définies qu'on les observe ou non, et que rien ne peut influencer autre chose plus vite que la vitesse de la lumière. De l'autre côté se trouve la mécanique quantique, le code de conduite de l'infiniment petit, qui suggère que les particules peuvent être liées de manières défiant ces limites. Ce lien, connu sous le nom d'intrication, signifie que la mesure d'une particule révèle instantanément l'état de sa partenaire, quelle que soit la distance qui les sépare. Dans les années 1960, un physicien nommé John Bell a conçu un moyen de tester quelle vue était correcte. Il a créé une frontière mathématique, désormais appelée inégalité de Bell, que toute théorie basée sur le réalisme local doit respecter. Si une expérience franchit cette frontière, elle prouve que l'univers ne suit pas les règles du réalisme local. Au cours des cinquante dernières années, les scientifiques ont répété à plusieurs reprises le franchissement de cette frontière en utilisant des particules de lumière, ou photons, ainsi que les états de spin internes de particules plus lourdes comme les atomes. Cependant, ils ne l'ont jamais fait en utilisant le mouvement réel de ces particules lourdes à travers l'espace.

Une équipe de chercheurs de l'Université nationale australienne et de l'Université du Queensland a maintenant comblé cette lacune. Ils ont réalisé le premier test du théorème de Bell en utilisant le mouvement d'atomes massifs. Au lieu d'examiner le spin interne d'un atome, ils ont observé où les atomes allaient et à quelle vitesse ils se déplaçaient. En créant des paires d'atomes d'hélium intriquées dans leur quantité de mouvement, les chercheurs ont montré que les mouvements des atomes étaient corrélés d'une manière impossible à expliquer par le réalisme local. Ils ont mesuré une valeur qui dépassait la limite fixée par la physique classique de trois écarts-types, confirmant que les étranges connexions non locales de la mécanique quantique s'appliquent au mouvement physique de la matière tout comme elles s'appliquent à la lumière.

L'expérience a commencé avec un nuage d'atomes d'hélium refroidis à des températures proches du zéro absolu, formant un état de la matière connu sous le nom de condensat de Bose-Einstein. Dans cet état, les atomes se comportent comme une seule grande onde plutôt que comme des particules individuelles. Les chercheurs ont libéré ce nuage d'un piège magnétique et l'ont laissé tomber librement. Ils ont ensuite utilisé des impulsions de lumière laser pour pousser les atomes, provoquant leurs collisions et leur dispersion. Ces collisions ont été soigneusement contrôlées pour produire des paires d'atomes qui s'envolent dans des directions opposées. En raison des lois de conservation, si un atome d'une paire se déplaçait dans une certaine direction, son partenaire devait se déplacer exactement dans la direction opposée. Ce processus a créé deux coquilles sphériques d'atomes, appelées halos de diffusion, où chaque atome d'un côté de la coquille avait un jumeau de l'autre côté, se déplaçant en opposition parfaite.

Le défi consistait à mesurer ces atomes en mouvement d'une manière qui puisse tester le théorème de Bell. Les tentatives précédentes avec des particules massives reposaient sur la mesure de propriétés internes comme le spin, qui sont plus faciles à manipuler. Mesurer le mouvement lui-même est beaucoup plus difficile car les atomes se déplacent dans l'espace, et les outils utilisés pour les mesurer affectent généralement l'ensemble du groupe à la fois. Pour résoudre ce problème, l'équipe a développé une nouvelle méthode utilisant un réseau laser à double résonance. Cette technique a permis d'adresser deux groupes spécifiques d'atomes au sein des halos de diffusion de manière indépendante. Ils pouvaient appliquer une impulsion laser à la moitié supérieure de la coquille et une impulsion différente à la moitié inférieure, modifiant la phase, ou le déphasage, des ondes des atomes dans chaque région sans affecter l'autre. Ce contrôle indépendant était la pièce manquante qui avait empêché un tel test jusqu'à présent.

Une fois les atomes préparés, les chercheurs ont utilisé un interféromètre à ondes de matière, un dispositif qui divise et recombine les ondes atomiques, pour mesurer les corrélations entre les paires. Ils ont mis en place quatre combinaisons différentes de réglages pour les impulsions laser et ont compté la fréquence à laquelle les atomes provenant des régions supérieure et inférieure arrivaient ensemble à des détecteurs spécifiques. Si les atomes suivaient les règles du réalisme local, les corrélations entre leurs temps d'arrivée resteraient en dessous d'une certaine limite. Cependant, les données ont montré une violation claire de cette limite. Les chercheurs ont calculé une valeur de 2,52, ce qui est nettement supérieur à la valeur maximale de 2 autorisée par le réalisme local. L'incertitude de leur mesure était suffisamment faible pour que le résultat constitue une confirmation robuste de la non-localité quantique dans le mouvement des particules massives.

Cette réussite est plus qu'un simple jalon technique ; elle change la portée de nos connaissances sur la mécanique quantique. Pour la première fois, nous avons la preuve que les connexions "spooky" (effrayantes) prédites par la théorie quantique régissent la trajectoire réelle de la matière à travers l'espace, et non seulement ses états internes. L'expérience démontre que le mouvement d'un atme lourd est soumis aux mêmes règles quantiques fondamentales qu'un photon de lumière. Les chercheurs ont utilisé environ 38 000 passages expérimentaux pour recueillir leurs données, garantissant que le résultat n'était pas un coup de chance. Ils ont également vérifié que leurs conclusions étaient cohérentes à travers différentes tailles de zones de détection, excluant ainsi les erreurs causées par la manière dont les données étaient regroupées.

Les implications de ce travail s'étendent au-delà du test lui-même. La capacité de contrôler indépendamment les phases d'atomes en mouvement ouvre la porte à de nouveaux types de mesures de précision. Cela offre une plateforme puissante pour étudier comment la mécanique quantique interagit avec la gravité, un domaine qui reste l'un des plus grands mystères non résolus de la physique. En utilisant des particules massives qui sont sensibles aux champs gravitationnels, les scientifiques peuvent désormais concevoir des expériences pour voir si la gravité affecte l'intrication quantique de manières que la lumière ne peut révéler. Les chercheurs ont également noté que cette configuration pourrait être utilisée pour tester l'intrication entre différents isotopes d'hélium, offrant un moyen unique d'explorer la relation entre la masse, la gravité et la non-localité quantique. Ce travail achève un objectif de longue date dans le domaine de l'optique atomique, déplaçant l'étude de la bizarrerie quantique du monde interne des atomes vers le monde externe de leur mouvement.