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

Kwantummechanica staat erom bekend dat het deeltjes op manieren kan koppelen die het gezonde verstand lijken te tarten. Wanneer twee deeltjes verstrengeld zijn, onthult het meten van het ene deeltje onmiddellijk informatie over het andere, ongeacht hoe ver ze van elkaar verwijderd zijn. Dit fenomeen, bekend als nonlokaliteit, werd voor het eerst benadrukt door de natuurkundige John Bell, die een manier voorstelde om te testen of deze verbindingen verklaard konden worden door verborgen, vooraf bestaande regels of of ze werkelijk een vreemde, niet-klassieke realiteit vereisen. Decennialang hebben wetenschappers deze test gebruikt om te bewijzen dat de natuur inderdaad kwantummechanisch is, maar ze hebben dit voornamelijk gedaan met eenvoudige, tweetoestandssystemen, zoals munten die alleen kop of munt kunnen zijn. Hoewel deze tweetoestandssystemen nuttig zijn, bieden ze een zeer beperkt beeld van de kwantumwereld. Veel reële kwantumsystemen zijn complexer en in staat om tegelijkertijd in drie of meer toestanden te bestaan, vergelijkbaar met een dobbelsteen die een één, twee, drie, vier, vijf of zes zijden kan tonen. Begrijpen of deze complexere, meerstoestandssystemen ook deze diepgaande nietlokale verbindingen kunnen vertonen, is een belangrijke openstaande vraag geweest, vooral wanneer het gaat om enorme groepen deeltjes waarbij individuele tracking onmogelijk is.

Een team van onderzoekers heeft nu antwoord gegeven op deze vraag door aan te tonen dat een grote wolk atomen deze complexe kwantumverbindingen kan vertonen op een manier die eenvoudige tweetoestandssystemen nooit zouden kunnen. Werkend met een spin-1 Bose-Einsteincondensaat, een materietoestand waarin ongeveer 31.000 rubidiumatomen zich gedragen als één enkel kwantumobject, creëerden de wetenschappers een specifiek type kwantumtoestand dat bekend staat als spin-nematische squeezing. In deze toestand zijn de atomen niet alleen verbonden; hun interne eigenschappen zijn gecorreleerd op een manier die de onzekerheid in bepaalde metingen vermindert tot onder wat mogelijk is voor elke collectie eenvoudige tweetoestandsdeeltjes. Door het collectieve gedrag van de gehele wolk te meten zonder naar individuele atomen te kijken, observeerden de onderzoekers een schending van een Bell-ongelijkheid die de theoretische limiet voor qubits overtrof, de standaard tweetoestandeenheden van kwantuminformatie. Dit resultaat levert direct bewijs dat de atomen handelen als echte driedelige systemen, of quttrits, en dat hun correlaties fundamenteel complexer zijn dan alles wat haalbaar is met eenvoudige binaire kwantumbits.

Het experiment vond plaats in een laboratorium waar de onderzoekers een wolk rubidium-87 atomen in een gefocuste lichtstraal gevangen hielden en deze afkoelden totdat ze een Bose-Einsteincondensaat vormden. Aanvankelijk werden alle atomen voorbereid in een specifieke, rustige toestand waarbij ze het middelste energieniveau van hun interne structuur bezetten. Om de noodzakelijke kwantumverbindingen te creëren, gebruikten de onderzoekers een techniek genaamd spin-mengdynamica. Door magnetische velden en microgolffrequenties zorgvuldig aan te passen, triggerden ze botsingen tussen de atomen die ervoor zorgden dat paren van hen spontaan van interne toestand veranderden, waarbij ze tegelijkertijd van het middelste niveau naar de bovenste en onderste niveaus bewogen. Dit proces, dat ongeveer 95 milliseconden duurde, genereerde een hoogverstrengelde toestand waarin de atomen samengeperst (squeezed) waren op een manier die de willekeurige ruis in specifieke richtingen minimaliseerde. De onderzoekers maten vervolgens de collectieve eigenschappen van de gehele wolk, zoekend naar patronen in hoe de atomen verdeeld waren over hun drie mogelijke interne toestanden.

De sleutel tot hun ontdekking was een wiskundige test, een Bell-getuige genoemd, ontworpen om eenvoudige tweetoestandcorrelaties te onderscheiden van complexere driestoestandcorrelaties. Als de atomen zich als eenvoudige tweetoestandsystemen hadden gedragen, zouden de resultaten van hun metingen binnen een specifieke numerieke grens zijn gebleven. De verzamelde gegevens van de rubidiumwolk overschreden echter duidelijk deze grens en zakten ruim onder de limiet die elke collectie tweetoestandsdeeltjes ooit zou kunnen bereiken. De onderzoekers berekenden dat om de geobserveerde resultaten te produceren, bijna de helft van de atomen in de wolk als echte driedelige systemen beschreven moest worden. Deze bevinding sluit de mogelijkheid uit dat de geobserveerde correlaties slechts een complexe versie van eenvoudige tweetoestandsverstrengeling waren. In plaats daarvan bevestigt het dat de wolk een rijkere, hogere-dimensionale kwantumstructuur bezat die inherent is aan de spin-1 natuur van de atomen.

Deze prestatie is significant omdat het bewijst dat hoogdimensionale kwantumcorrelaties gedetecteerd kunnen worden in macroscopische systemen met behulp van uitsluitend collectieve metingen. In veel eerdere experimenten vereiste het verifiëren van dergelijke complexe kwantumtoestanden de mogelijkheid om individuele deeltjes één voor één te controleren en te meten, een taak die onmogelijk wordt bij wolken die uit tienduizenden atomen bestaan. Hier toonden de onderzoekers aan dat door naar de groep als geheel te kijken, zij de dimensionaliteit van de kwantumverbindingen konden certificeren zonder de individuele atomen te hoeven zien. Het experiment benadrukte ook het belang van squeezing in twee specifieke richtingen tegelijkertijd, een conditie die essentieel was voor het onthullen van de drietoestandsaard van de correlaties. Wanneer de onderzoekers doelbewust de mogelijkheid wegnamen voor het systeem om toegang te krijgen tot zijn volledige driedimensionale structuur, verdween de speciale kwantumschending, wat bevestigde dat het effect steunde op de volledige complexiteit van de spin-1 atomen.

Dit werk vestigt spinor Bose-Einsteincondensaten als een krachtig platform voor het verkennen van de grenzen van de kwantumtheorie in grote, interagerende systemen. Het demonstreert dat de vreemde, nietlokale verbindingen voorspeld door de kwantummechanica niet beperkt zijn tot eenvoudige binaire systemen, maar ook kunnen gedijen in complexere, meerlagige omgevingen. Dit opent nieuwe wegen voor het testen van de fundamenten van de fysica en zou kunnen leiden tot verbeterde methoden voor kwantumsensoren en kwantuminformatieverwerking die verder gaan dan de mogelijkheden van standaard qubit-gebaseerde technologieën. Door aan te tonen dat grovere metingen voldoende zijn om de dimensionaliteit van kwantumbronnen te certificeren, biedt de studie een praktisch pad voor het onderzoek naar de rijke, meerlagige structuur van kwantumcorrelaties in de macroscopische wereld.