Bell inequality violation with momentum-entangled massive particles

Durante décadas, os físicos estiveram presos em um debate silencioso sobre a natureza fundamental da realidade. De um lado, está a ideia do realismo local, uma visão de senso comum de que os objetos possuem propriedades definidas quer os observemos ou não, e que nada pode influenciar algo mais rápido que a velocidade da luz. Do outro lado está a mecânica quântica, o livro de regras para o muito pequeno, que sugere que as partículas podem estar ligadas de maneiras que desafiam esses limites. Esse elo, conhecido como emaranhamento, significa que medir uma partícula revela instantaneamente o estado de sua parceira, não importa o quão longe estejam uma da outra. Na década de 1960, um físico chamado John Bell idealizou uma maneira de testar qual visão estava correta. Ele criou uma fronteira matemática, agora chamada de desigualdade de Bell, que qualquer teoria baseada no realismo local deve obedecer. Se um experimento quebrar essa fronteira, prova que o universo não segue as regras do realismo local. Ao longo dos últimos cinquenta anos, cientistas repetidamente quebraram essa fronteira usando partículas de luz, ou fótons, e os estados de spin internos de partículas mais pesadas, como átomos. No entanto, eles nunca o fizeram usando o movimento real dessas partículas pesadas pelo espaço.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade Nacional Australiana e da Universidade de Queensland fechou agora essa lacuna. Eles realizaram o primeiro teste do teorema de Bell usando o movimento de átomos massivos. Em vez de observar o spin interno de um átomo, eles observaram para onde os átomos estavam indo e quão rápido estavam se movendo. Ao criar pares de átomos de hélio que estavam emaranhados em seu momento, os pesquisadores mostraram que os movimentos dos átomos estavam correlacionados de uma forma que é impossível de explicar com o realismo local. Eles mediram um valor que excedeu o limite estabelecido pela física clássica em três desvios padrão, confirmando que as estranhas conexões não locais da mecânica quântica se aplicam ao movimento físico da matéria assim como ocorrem com a luz.

O experimento começou com uma nuvem de átomos de hélio resfriada a temperaturas próximas ao zero absoluto, formando um estado da matéria conhecido como condensado de Bose-Einstein. Nesse estado, os átomos se comportam como uma única onda gigante em vez de partículas individuais. Os pesquisadores liberaram essa nuvem de uma armadilha magnética e a deixaram cair livremente. Eles então usaram pulsos de luz laser para dar um empurrão nos átomos, fazendo-os colidir e se dispersar. Essas colisões foram cuidadosamente controladas para produzir pares de átomos que voavam em direções opostas. Devido às leis de conservação, se um átomo de um par se movesse em uma determinada direção, seu parceiro teria que se mover exatamente na direção oposta. Esse processo criou dois cascos esféricos de átomos, conhecidos como halos de espalhamento, onde cada átomo de um lado da casca tinha um gêmeo no lado oposto, movendo-se em perfeita oposição.

O desafio era medir esses átomos em movimento de uma forma que pudesse testar o teorema de Bell. Tentativas anteriores com partículas massivas dependiam da medição de propriedades internas como o spin, que são mais fáceis de manipular. Medir o movimento em si é muito mais difícil porque os átomos estão se movendo pelo espaço, e as ferramentas usadas para medi-los geralmente afetam todo o grupo de uma só vez. Para resolver isso, a equipe desenvolveu um novo método usando uma rede de laser de dupla ressonância. Essa técnica permitiu que eles abordassem dois grupos específicos de átomos dentro dos halos de espalhamento de forma independente. Eles puderam aplicar um pulso de laser na metade superior da casca e um pulso diferente na metade inferior, alterando a fase, ou o tempo, das ondas dos átomos em cada região sem afetar a outra. Esse controle independente foi a peça faltante que impediu tal teste até agora.

Uma vez que os átomos foram preparados, os pesquisadores usaram um interferômetro de onda de matéria, um dispositivo que divide e recombina as ondas atômicas, para medir as correlações entre os pares. Eles configuraram quatro combinações diferentes de configurações para os pulsos de laser e contaram com que frequência átomos de regiões superior e inferior chegavam a detectores específicos simultaneamente. Se os átomos seguissem as regras do realismo local, as correlações entre seus tempos de chegada permaneceriam abaixo de um certo limite. No entanto, os dados mostraram uma violação clara desse limite. Os pesquisadores calcularam um valor de 2,52, que é significativamente superior ao valor máximo de 2 permitido pelo realismo local. A incerteza em sua medição foi pequena o suficiente para que o resultado seja uma confirmação robusta da não localidade quântica no movimento de partículas massivas.

Esta conquista é mais do que apenas um marco técnico; ela muda o escopo do que sabemos sobre a mecânica quântica. Pela primeira vez, temos a prova de que as conexões fantasmagóricas previstas pela teoria quântica governam a trajetória real da matéria pelo espaço, não apenas seus estados internos. O experimento demonstra que o movimento de um átomo pesado está sujeito às mesmas regras quânticas fundamentais que um fóton de luz. Os pesquisadores usaram aproximadamente 3 de 38.000 disparos experimentais para reunir seus dados, garantindo que o resultado não fosse um acaso. Eles também verificaram que suas descobertas eram consistentes em diferentes tamanhos de áreas de detecção, descartando erros causados pela forma como agruparam os dados.

As implicações deste trabalho estendem-se além do próprio teste. A capacidade de controlar independentemente as fases de átomos em movimento abre as portas para novos tipos de medições de precisão. Fornece uma plataforma poderosa para estudar como a mecânica quântica interage com a gravidade, um campo que permanece como um dos maiores mistérios não resolvidos da física. Ao usar partículas massivas que são sensíveis aos campos gravitacionais, os cientistas podem agora projetar experimentos para ver se a gravidade afeta o emaranhamento quântico de maneiras que a luz não pode revelar. Os pesquisadores também observaram que essa configuração poderia ser usada para testar o emaranhamento entre diferentes isótopos de hélio, oferecendo uma maneira única de explorar a relação entre massa, gravidade e não localidade quântica. Este trabalho completa um objetivo de longa data no campo da óptica atômica, movendo o estudo da estranheza quântica do mundo interno dos átomos para o mundo externo de seu movimento.