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

La meccanica quantistica è famosa per permettere alle particelle di essere legate in modi che sembrano sfidare il senso comune. Quando due particelle sono entangled, la misurazione di una rivela istantaneamente informazioni sull'altra, indipendentemente da quanto siano lontane tra loro. Questo fenomeno, noto come non località, fu evidenziato per la prima volta dal fisico John Bell, il quale propose un modo per testare se queste connessioni potessero essere spiegate da regole preesistenti e nascoste o se richiedessero davvero una strana realtà non classica. Per decenni, gli scienziati hanno usato questo test per dimostrare che la natura è effettivamente quantistica, ma lo hanno fatto per lo più con sistemi semplici a due stati, come monete che possono mostrare solo testa o croce. Sebbene questi sistemi a due stati siano utili, essi rappresentano una visione molto limitata del mondo quantistico. Molti sistemi quantistici del mondo reale sono più complessi, capaci di esistere in tre o più stati contemporaneamente, proprio come un dado che può mostrare uno, due, tre, quattro, cinque o sei lati. Comprendere se questi sistemi più complessi e multistato possano anche esibire queste profonde connessioni non locali è stato un importante interrogativo aperto, specialmente quando si tratta di enormi gruppi di particelle dove il tracciamento individuale è impossibile.

Un team di ricercatori ha ora risposto a questa domanda dimostrando che una grande nuvola di atomi può esibire queste complesse legami quantistici in un modo in cui i semplici sistemi a due stati non potrebbero mai fare. Lavorando con un condensato di Bose-Einstein di spin-1, uno stato della materia in cui circa 31.000 atomi di rubidio si comportano come un'unica entità quantistica, gli scienziati hanno creato un tipo specifico di stato quantistico noto come "spin-nematic squeezing" (schiacciamento spin-nematico). In questo stato, gli atomi non sono solo legati; le loro proprietà interne sono correlate in un modo che riduce l'incertezza in determinate misurazioni al di sotto di quanto sia possibile per qualsiasi collezione di semplici particelle a due stati. Misurando il comportamento collettivo dell'intera nuvola senza guardare i singoli atomi, i ricercatori hanno osservato una violazione della disuguaglianza di Bell che ha superato il limite teorico per i qubit, le unità standard a due stati dell'informazione quantistica. Questo risultato fornisce la prova diretta che gli atomi stanno agendo come veri sistemi a tre livelli, o qutrit, e che le loro correlazioni sono fondamentalmente più complesse di qualsiasi cosa sia realizzabile con semplici bit quantistici binari.

L'esperimento si è svolto in un laboratorio dove i ricercatori hanno intrappolato una nuvola di atomi di rubidio-87 in un fascio di luce focalizzato, raffreddandoli fino a formare un condensato di Bose-Einstein. Inizialmente, tutti gli atomi sono stati preparati in uno stato specifico e calmo, dove occupavano il livello di energia intermedio della loro struttura interna. Per creare i necessari legami quantistici, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica chiamata dinamica di miscelazione dello spin (spin-mixing dynamics). Regolando attentamente i campi magnetici e le frequenze delle microonde, hanno innescato collisioni tra gli atomi che hanno causato il cambiamento spontaneo degli stati interni di coppie di essi, spostandoli simultaneamente dal livello intermedio ai livelli superiore e inferiore. Questo processo, che è durato circa 9 millisecondi, ha generato uno stato altamente entangled in cui gli atomi sono stati "schiacciati" in un modo che minimizza il rumore casuale in direzioni specifiche. I ricercatori hanno poi misurato le proprietà collettive dell'intera nuvola, cercando schemi nel modo in cui gli atomi erano distribuiti tra i loro tre possibili stati interni.

La chiave della loro scoperta è stata un test matematico, noto come "witness" di Bell, progettato per distinguere tra semplici correlazioni a due stati e correlazioni a tre stati più complesse. Se gli atomi si fossero comportati come semplici sistemi a due stati, i risultati delle loro misurazioni sarebbero rimasti entro un determinato confine numerico. Tuttavia, i dati raccolti dalla nuvola di rubidio hanno chiaramente attraversato questo confine, scendendo ben al di sotto del limite che qualsiasi collezione di particelle a due stati potrebbe mai raggiungere. I ricercatori hanno calcolato che, per produrre i risultati osservati, quasi la metà degli atomi nella nuvola doveva essere descritta come un genuino sistema a tre livelli. Questa scoperta esclude la possibilità che le correlazioni osservate fossero solo una versione complicata di un semplice entanglement a due stati. Al contrario, conferma che la nuvola possedeva una struttura quantistica a più dimensioni più ricca, che è intrinseca alla natura di spin-1 degli atomi.

Questo traguardo è significativo perché dimostra che le correlazioni quantistiche ad alta dimensione possono essere rilevate in sistemi macroscopici utilizzando solo misurazioni collettive. In molti esperimenti precedenti, la verifica di tali stati quantistici complessi richiedeva la capacità di controllare e misurare le singole particelle una ad una, un compito che diventa impossibile con nuvole contenenti decine di migliaia di atomi. Qui, i ricercatori hanno dimostrato che guardando l'intero gruppo, potevano certificare la dimensionalità delle connessioni quantistiche senza bisogno di vedere i singoli atomi. L'esperimento ha inoltre evidenziato l'importanza dello "squeezing" in due direzioni specifiche simultaneamente, una condizione che era essenziale per rivelare la natura a tre livelli delle correlazioni. Quando i ricercatori hanno deliberatamente rimosso la capacità del sistema di accedere alla sua piena struttura tridimensionale, la speciale violazione quantistica è scomparsa, confermando che l'effetto dipendeva dalla piena complessità degli atomi di spin-1.

Il lavoro stabilisce i condensati di Bose-Einstein spinor come una piattaforma potente per esplorare i limiti della teoria quantistica in grandi sistemi interagenti. Dimostra che le strane connessioni non locali previste dalla meccanica quantistica non sono limitate a semplici sistemi binari, ma possono prosperare in ambienti più complessi e multilivello. Ciò apre nuove strade per testare le fondamenta della fisica e potrebbe portare a metodi migliorati per la sensoristica quantistica e l'elaborazione dell'informazione che vadano oltre le capacità delle tecnologie standard basate su qubit. Mostrando che le misurazioni a grana grossa sono sufficienti per certificare risorse quantistiche ad alta dimensionalità, lo studio fornisce una via pratica per investigare la ricca struttura multilivello delle correlazioni quantistiche nel mondo macroscopico.