Bell inequality violation with momentum-entangled massive particles

Per decenni, i fisici sono stati intrappolati in un silenzioso dibattito sulla natura fondamentale della realtà. Da un lato si pone l'idea del realismo locale, una visione di senso comune secondo cui gli oggetti hanno proprietà definite indipendentemente dal fatto che li osserviamo o meno, e che nulla può influenzare qualcos'altro più velocemente della velocità della luce. Dall'altro lato c'è la meccanica quantistica, il libro delle regole per il mondo del microscopico, che suggerisce che le particelle possano essere collegate in modi che sfidano questi limiti. Questo legame, noto come entanglement, significa che misurare una particella rivela istantaneamente lo stato della sua compagna, indipendentemente dalla distanza che le separa. Negli anni '60, un fisico di nome John Bell ideò un modo per testare quale visione fosse corretta. Creò un confine matematico, ora chiamato disuguaglianza di Bell, che qualsiasi teoria basata sul realismo locale deve rispettare. Se un esperimento rompe questo confine, dimostra che l'universo non segue le regole del realismo locale. Negli ultimi cinquant'anni, gli scienziati hanno ripetutamente infranto questo confine usando particelle di luce, ovvero fotoni, e gli stati di spin interni di particelle più pesanti come gli atomi. Tuttavia, non l'hanno mai fatto utilizzando il movimento effettivo di queste particelle pesanti attraverso lo spazio.

Un team di ricercatori dell'Australian National University e dell'University of Queensland ha ora colmato questa lacuna. Hanno eseguito il primo test del teorema di Bell utilizzando il movimento di atomi massicci. Invece di osservare lo spin interno di un atomo, hanno osservato dove gli atomi stavano andando e quanto velocemente si stavano muovendo. Creando coppie di atomi di elio che erano entangled nel loro momento, i ricercatori hanno dimostrato che i movimenti degli atomi erano correlati in un modo che è impossibile da spiegare con il realismo locale. Hanno misurato un valore che superava il limite imposto dalla fisica classica di tre deviazioni standard, confermando che le strane connessioni non locali della meccanica quantistica si applicano al movimento fisico della materia proprio come accade per la luce.

L'esperimento è iniziato con una nuvola di atomi di elio raffreddata a temperature vicine allo zero assoluto, formando uno stato della materia noto come condensato di Bose-Einstein. In questo stato, gli atomi si comportano come un'unica grande onda piuttosto che come particelle individuali. I ricercatori hanno rilasciato questa nuvola da una trappola magnetica e l'hanno lasciata cadere liberamente. Hanno poi utilizzato impulsi di luce laser per dare una spinta agli atomi, facendoli collidere e diffondersi. Queste collisioni sono state controllate con cura per produrre coppie di atomi che volavano in direzioni opposte. A causa delle leggi di conservazione, se un atomo di una coppia si muoveva in una certa direzione, il suo partner doveva muoversi esattamente nella direzione opposta. Questo processo ha creato due gusci sferici di atomi, noti come aloni di diffusione, dove ogni atomo su un lato del guscio aveva un gemello sul lato opposto, muovendosi in perfetta opposizione.

La sfida era misurare questi atomi in movimento in un modo che potesse testare il teorema di Bell. I tentativi precedenti con particelle massive si basavano sulla misurazione di proprietà interne come lo spin, che sono più facili da manipolare. Misurare il movimento stesso è molto più difficile perché gli atomi si stanno muovendo attraverso lo spazio, e gli strumenti usati per misurarli di solito influenzano l'intero gruppo contemporaneamente. Per risolvere il problema, il team ha sviluppato un nuovo metodo utilizzando un reticolo laser a doppia risonanza. Questa tecnica ha permesso di indirizzare due gruppi specifici di atomi all'interno degli aloni di diffusione in modo indipendente. Potevano applicare un impulso laser alla metà superiore del guscio e un impulso diverso alla metà inferiore, cambiando la fase, o il tempo, delle onde degli atomi in ciascuna regione senza influenzare l'altra. Questo controllo indipendente è stato il pezzo mancante che aveva impedito un simile test fino ad ora.

Una volta preparati gli atomi, i ricercatori hanno utilizzato un interferometro a onde di materia, un dispositivo che divide e ricombina le onde atomiche, per misurare le correlazioni tra le coppie. Hanno impostato quattro diverse combinazioni di impostazioni per gli impulsi laser e hanno contato quante volte gli atomi provenienti dalle regioni superiore e inferiore arrivavano insieme a specifici rilevatori. Se gli atomi avessero seguito le regole del realismo locale, le correlazioni tra i loro tempi di arrivo sarebbero rimaste al di sotto di un certo limite. Tuttavia, i dati hanno mostrato una chiara violazione di questo limite. I ricercatori hanno calcolato un valore di 2,52, significativamente superiore al valore massimo di 2 consentito dal realismo locale. L'incertezza della loro misurazione era abbastanza piccola che il risultato si pone come una robusta conferma della non-località quantistica nel movimento di particelle massive.

Questo traguardo è più di un semplice traguardo tecnico; cambia l'ambito di ciò che sappiamo della meccanica quantistica. Per la prima volta, abbiamo la prova che le connessioni "spettrali" previste dalla teoria quantistica governano la reale traiettoria della materia attraverso lo spazio, non solo i suoi stati interni. L'esperimento dimostra che il movimento di un atomo pesante è soggetto alle stesse regole quantistiche fondamentali di un fotone di luce. I ricercatori hanno utilizzato circa 38.000 scatti sperimentali per raccogliere i loro dati, assicurando che il risultato non fosse un caso fortuito. Hanno anche verificato che i loro risultati fossero coerenti attraverso diverse dimensioni delle aree di rilevamento, escludendo errori causati dal modo in cui raggruppavano i dati.

Le implicazioni di questo lavoro vanno oltre il test stesso. La capacità di controllare indipendentemente le fasi di atomi in movimento apre la porta a nuovi tipi di misurazioni di precisione. Fornisce una piattaforma potente per studiare come la meccanica quantistica interagisce con la gravità, un campo che rimane uno dei più grandi misteri irrisolti della fisica. Utilizzando particelle massive che sono sensibili ai campi gravitazionali, gli scienziati possono ora progettare esperimenti per vedere se la gravità influenza l'entanglement quantistico in modi che la luce non può rivelare. I ricercatori hanno anche notato che questa configurazione potrebbe essere utilizzata per testare l'entanglement tra diversi isotopi dell'elio, offrendo un modo unico per esplorare la relazione tra massa, gravità e non-località quantistica. Questo lavoro completa un obiettivo di lunga data nel campo dell'ottica atomica, spostando lo studio della stranezza quantistica dal mondo interno degli atomi al mondo esterno del loro movimento.