Bell inequality violation with momentum-entangled massive particles

数十年にわたり、物理学者たちは現実の根本的な性質をめぐって静かな論争を続けてきた。一方の側には、物体はそれを見ているかどうかにかかわらず確定した性質を持ち、何ものも光速を超えて他のものに影響を与えることはできないという、常識的な見解である「局所実在論」が立っている。もう一方の側には、微小な世界のためのルールブックである量子力学があり、それは粒子がこれらの限界を無視するような方法で結びつく可能性があることを示唆している。この結びつきは「量子もつれ」として知られ、一方の粒子を測定すると、どれほど離れていても、そのパートナーの状態が即座に明らかになることを意味する。1960年代、ジョン・ベルという物理学者が、どちらの見解が正しいかをテストする方法を考案した。彼は、局所実在論に基づくあらゆる理論が従わなければならない数学的な境界、現在では「ベルの不等式」と呼ばれるものを創り出した。もし実験がこの境界を破れば、宇宙は局所実在論のルールに従っていないことが証明される。過去50年間にわたり、科学者たちは光の粒子（光子）や、原子のようなより重い粒子の内部スピン状態を用いて、繰り返しこの境界を破ってきた。しかし、これら重い粒子の空間における実際の「運動」を用いて境界を破ることは、これまで一度も行われてこなかった。

オーストラリア国立大学とクイーンズランド大学の研究チームは、今、この空白を埋めた。彼らは、質量を持つ原子の運動を用いたベルの定理の最初のテストを実施した。原子の内部スピンを見る代わりに、彼らは原子がどこへ行き、どのくらいの速さで動いているかに注目した。ヘリウム原子のペアをその運動量において量子もつれ状態に作ることで、研究者たちは、原子の動きが局所実在論では説明不可能な方法で相関していることを示した。彼らは古典物理学が設定した限界を超える値を測定し、量子力学の奇妙で非局所的なつながりが、光と同様に物質の物理的な運動にも適用されることを確認した。

実験は、絶対零度に近い温度まで冷却されたヘリウム原子の雲から始まった。これはボース＝アインシュタイン凝縮として知られる物質の状態である。この状態では、原子は個々の粒子としてではなく、一つの巨大な波のように振る舞う。研究者たちはこの雲を磁気トラップから解放し、自由落下させた。その後、レーザー光のパルスを使用して原子を軽く突き、衝突させて散乱させた。これらの衝突は、一対の原子が反対方向に飛び出すように注意深く制御された。保存則により、ペアの一方の原子がある方向に動いた場合、そのパートナーは必ず正反対の方向に動かなければならない。このプロセスにより、散乱ハローと呼ばれる二つの球状の原子の殻が生成された。そこでは、殻の一方の側にあるすべての原子が、反対側に完璧な対照となる双子を持っていた。

課題は、ベルの定理をテストできる方法でこれらの動いている原子を測定することであった。質量を持つ粒子を用いたこれまでの試みは、操作が容易なスピンのような内部特性の測定に依存していた。運動そのものを測定することは、原子が空間を移動しているため、より困難である。なぜなら、それらを測定するために使用される道具は通常、グループ全体に同時に影響を与えてしまうからである。これを解決するため、チームは二重共鳴レーザー格子を用いた新しい手法を開発した。この技術により、散絡ハロー内の二つの特定の原子グループを独立して扱うことが可能になった。彼らは、殻の上半分にレーザーパルスを適用し、下半分には異なるパルスを適用することで、互いに影響を与えることなく、各領域における原子の波の位相、すなわちタイミングを変化させることができた。この独立した制御こそが、これまでこのようなテストを阻んできた欠けていた鍵であった。

原子の準備が整うと、研究者たちは、原子の波を分割し再結合させる装置である物質波干渉計を使用して、ペア間の相関を測定した。彼らはレーザーパルスの設定を4つの異なる組み合わせに設定し、上部と下部の領域からの原子が特定の検出器に同時に到着する頻度をカウントした。もし原子が局所実在論のルールに従うならば、到着時間の相関は一定の限界以下にとどまるはずである。しかし、データは明確な限界の違反を示した。研究者たちは、局所実在論によって許容される最大値である2を大幅に上回る2.52という値を算出した。測定の不確かさは十分に小さく、その結果は量子非局所性の堅牢な確認となっている。

この成果は単なる技術的な節目ではない。それは、私たちが知る量子力学の範囲を変えるものである。量子理論が予測する「不気味なつながり」が、光のフォトンのように、物質の内部状態だけでなく、空間における実際の軌道をも支配しているという証拠が、初めて得られたのである。この実験は、重い原子の運動が、光のフォトンののと同様の基本的な量子ルールに従っていることを示している。研究者たちは、結果が偶然ではないことを確実にするために、約38,000回の実験ショットを使用してデータを収集した。また、彼らの発見が異なるサイズの検出領域にわたって一貫していることを検証し、データのグループ化によって生じるエラーを排除した。

この研究の意義は、テストそのものにとどまらない。動いている原子の位相を独立して制御する能力は、新しいタイプの精密測定への扉を開くものである。それは、物理学における最大の未解決問題の一つである、量子力学が重力とどのように相互作用するかを研究するための強力なプラットフォームを提供する。重力場に対して敏感な質量を持つ粒子を用いることで、科学者は、光では明らかにできない方法で重力が量子もつれに影響を与えるかどうかを調べる実験を設計できる。研究者たちはまた、このセットアップがヘリウムの異なる同位体間の量子もつれをテストするために使用できることも指摘しており、質量、重力、そして量子非局所性の関係を探求するためのユニークな方法を提示している。この研究は、原子光学の分野における長年の目的を達成した。つまり、量子的な奇妙さの研究を、原子の内部の世界から、その運動という外部の世界へと移行させたのである。