Bell inequality violation with momentum-entangled massive particles

Al decennia lang zijn natuurkundigen verwikkeld in een stil debat over de fundamentele aard van de werkelijkheid. Aan de ene kant staat het idee van lokale realiteit, een gezond verstandelijke visie dat objecten definitieve eigenschappen hebben, of we nu kijken of niet, en dat niets iets anders sneller dan de snelheid van het licht kan beïnvloeden. Aan de andere kant staat de kwantummechanica, het regelboek voor het zeer kleine, die suggereert dat deeltjes op manieren aan elkaar verbonden kunnen zijn die deze grenzen tarten. Deze verbinding, bekend als verstrengeling, betekent dat het meten van het ene deeltje onmiddellijk de toestand van zijn partner onthult, ongeacht hoe ver ze van elkaar verwijderd zijn. In de jaren 60 bedacht een natuurkundige genaamd John Bell een manier om te testen welke visie correct was. Hij creëerde een wiskundige grens, nu een Bell-ongelijkheid genoemd, die elke theorie gebaseerd op lokale realiteit moet naleven. Als een experiment deze grens doorbreekt, bewijst dat het universum de regels van de lokale realiteit niet volgt. In de afgelopen vijftig jaar hebben wetenschappers deze grens herhaaldelijk doorbroken met lichtdeeltjes, oftewel fotonen, en de interne spintoestanden van zwaardere deeltjes zoals atomen. Ze hebben dit echter nog nooit gedaan met de werkelijke beweging van deze zware deeltjes door de ruimte.

Een team van onderzoekers van de Australian National University en de University of Queensland heeft deze kloof nu gedicht. Zij hebben de eerste test van de stelling van Bell uitgevoerd met de beweging van massieve atomen. In plaats van naar de interne spin van een atoom te kijken, keken ze naar waar de atomen naartoe gingen en hoe snel ze bewogen. Door paren heliumatomen te creëren die verstrengeld waren in hun impuls, toonden de onderzoekers aan dat de bewegingen van de atomen gecorreleerd waren op een manier die onmogelijk te verklaren is met lokale realiteit. Ze maten een waarde die de limiet van de klassieke fysica overschreed met drie standaarddeviaties, waarmee werd bevestigd dat de vreemde, niet-lokale verbindingen van de kwantummechanica ook gelden voor de fysieke beweging van materie, net zoals ze dat doen voor licht.

Het experiment begon met een wolk heliumatomen die werd afgekoeld tot temperaturen nabij het absolute nulpunt, waardoor een aggregatietoestand ontstond die bekend staat als een Bose-Einsteincondensaat. In deze toestand gedragen de atomen zich als één enkele reusachtige golf in plaats van individuele deeltjes. De onderzoekers lieten deze wolk uit een magnetische val vrij en lieten deze vrij vallen. Vervolgens gebruikten ze pulsen van laserlicht om de atomen een duwtje te geven, waardoor ze botsten en uiteenspatten. Deze botsingen werden zorgvuldig gecontroleerd om paren atomen te producerkseren die in tegengestelde richtingen wegvlogen. Vanwege de wetten van behoud moest, als één atoom in een paar in een bepaalde richting bewoog, zijn partner exact in de tegenovergestelde richting bewegen. Dit proces creëerde twee sferische schillen van atomen, bekend als verstrooiingshalo's, waarbij elk atoom aan de ene kant van de schil een tweeling had aan de tegenovergestelde kant, die in perfecte oppositie bewoog.

De uitdaging was om deze bewegende atomen op een manier te meten die de stelling van Bell kon testen. Eerdere pogingen met massieve deeltjes vertrouwden op het meten van interne eigenschappen zoals spin, die gemakkelijker te manipuleren zijn. Het meten van de beweging zelf is veel moeilijker omdat de atomen door de ruimte bewegen, en de instrumenten die worden gebruikt om ze te meten, beïnvloeden meestal de hele groep tegelijk. Om dit op te lossen, ontwikkelde het team een nieuwe methode met een dubbel-resonant laserrooster. Deze techniek stelde hen in staat om twee specifieke groepen atomen binnen de verstrooiingshalo's onafhankelijk van elkaar aan te spreken. Ze konden een laserpuls toepassen op de bovenste helft van de schil en een andere puls op de onderste helft, waardoor de fase, of timing, van de golven van de atomen in elk gebied veranderden zonder het andere gebied te beïnvloeden. Deze onafhankelijke controle was het ontbrekende puzzelstukje dat een dergelijke test tot nu toe had verhinderd.

Zodra de atomen waren voorbereid, gebruikten de onderzoekers een materiegolf-interferometer, een apparaat dat atoomgolven splitst en weer samenvoegt, om de correlaties tussen de paren te meten. Ze stelden vier verschillende combinaties van instellingen voor de laserpulsen op en telden hoe vaak atomen uit de bovenste en onderste regio's samen bij specifieke detectoren arriveerden. Als de atomen de regels van de lokale realiteit zouden volgen, zouden de correlaties tussen hun aankomsttijden onder een bepaalde limiet blijven. De gegevens toonden echter een duidelijke schending van deze limiet. De onderzoekers berekenden een waarde van 2,52, wat aanzienlijk hoger is dan de maximale waarde van 2 die door de lokale realiteit wordt toegestaan. De onzekerheid in hun meting was klein genoeg zodat het resultaat een robuuste bevestiging vormt van de kwantummechanische niet-lokaliteit in de beweging van massieve deeltjes.

Deze prestatie is meer dan alleen een technische mijlpaal; het verandert de reikwijdte van wat we weten over de kwantummechanica. Voor het eerst hebben we het bewijs dat de spookachtige verbindingen die de kwantumtheorie voorspelt, de werkelijke baan van materie door de ruimte beheersen, en niet alleen de interne toestanden ervan. Het experiment demonstreert dat de beweging van een zwaar atoom onderworpen is aan dezelfde fundamentele kwantumregels als een foton van licht. De onderzoekers gebruikten ongeveer 38.000 experimentele schoten om hun gegevens te verzamelen, om er zeker van te zijn dat het resultaat geen toevalstreffer was. Ze verifieerden ook dat hun bevindingen consistent waren over verschillende groottes van detectiegebieden, waardoor fouten door de manier waarop ze de gegevens groepeerden, werden uitgesloten.

De implicaties van dit werk reiken verder dan de test zelf. Het vermogen om de fasen van bewegende atomen onafhankelijk te controleren, opent de deur naar nieuwe soorten precisie-metingen. Het biedt een krachtig platform voor het bestuderen van hoe de kwantummechanica interageert met de zwaartekracht, een veld dat een van de grootste onopgeloste mysteries in de natuurkunde blijft. Door massieve deeltjes te gebruiken die gevoelig zijn voor zwaartekrachtsvelden, kunnen wetenschappers nu experimenten ontwerpen om te zien of zwaartekracht de kwantumverstrengeling op manieren beïnvloedt die licht niet kan onthullen. De onderzoekers merkten ook op dat deze opstelling gebruikt zou kunnen worden om verstrengeling tussen verschillende isotopen van helium te testen, wat een unieke manier biedt om de relatie tussen massa, zwaartekracht en kwantum-niet-lokaliteit te verkennen. Dit werk voltooit een langdurig doel in het vakgebied van de atoomoptica, waarbij de studie van kwantumvreemdheid wordt verplaatst van de interne wereld van atomen naar de externe wereld van hun beweging.