Bell inequality violation with momentum-entangled massive particles
本文报告了首次利用大质量粒子（亚稳态氦原子）的动量纠缠运动态实现的贝尔不等式实验违背，其得到的 CHSH 参数为 ，从而将量子非定域性测试从内禀自由度扩展到了外在物质波。
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几十年来，物理学家们一直陷入一场关于现实本质的无声争论。一方支持局部实在论（local realism），这是一种常识性的观点，认为物体无论我们是否观察它们，都具有确定的属性，且没有任何事物能以超过光速的方式影响另一事物。另一方则是量子力学，这是微观世界的规则手册，它表明粒子可以以挑战这些限制的方式相互连接。这种联系被称为纠缠（entanglement），意味着测量一个粒子的状态会瞬间揭示其伙伴的状态，无论两者相距多远。在20世纪60年代，一位名叫约翰·贝尔（John Bell）的物理学家设计了一种测试哪种观点才是正确的方法。他创建了一个数学边界，现在被称为贝尔不等式（Bell inequality），任何基于局部实在论的理论都必须遵守这一边界。如果实验打破了这一边界，就证明宇宙并不遵循局部实在论的规则。在过去的五十年里，科学家们通过使用光粒子（即光子）以及较重粒子（如原子）的内部自旋态，反复打破了这一边界。然而，他们从未利用这些重粒子在空间中的实际运动来完成过这一验证。
来自澳大利亚国立大学和昆士兰大学的一个研究小组现在填补了这一空白。他们完成了首次利用质量较大的原子的运动来测试贝尔定理的实验。研究人员并非观察原子的内部自旋，而是观察了原子的运动轨迹及其移动速度。通过创造在动量上相互纠缠的氦原子对，研究人员展示了原子的运动呈现出一种无法用局部实在论来解释的相关性。他们测得的一个数值超过了经典物理设定的极限三个标准差，证实了量子力学的奇异非定域性连接同样适用于物质的物理运动，正如其适用于光一样。
实验始于一团被冷却至接近绝对零度的氦原子云，这种状态被称为玻色-爱因斯坦凝聚态（Bose-Einstein condensate）。在这种状态下，原子表现得像一个巨大的单一波，而非独立的粒子。研究人员将这团原子从磁阱中释放出来，让其自由下落。随后，他们利用激光脉冲轻微推动原子，导致原子发生碰撞并散射。这些碰撞经过精心控制，以产生向相反方向飞出的原子对。根据守恒定律，如果一对原子中的一个原子向某一方向运动，其伙伴必然向完全相反的方向运动。这一过程产生了两个原子球壳，称为散射晕（scattering halos），其中球壳一侧的每一个原子在另一侧都有一个运动方向完全相反的孪生兄弟。
挑战在于如何以一种能够测试贝尔定理的方式来测量这些运动中的原子。以往针对质量较大的粒子的尝试依赖于测量诸如自旋之类的内部属性，这些属性更容易操控。测量运动本身要困难得多，因为原子正在空间中移动，而用于测量它们的工具通常会同时影响整个群体。为了解决这个问题，团队开发了一种使用双共振激光晶格（dual-resonant laser lattice）的新方法。这种技术允许他们独立地处理散射晕中的两组特定原子。他们可以在球壳的上半部分施加一个激光脉冲，而在下半部分施加另一个不同的脉冲，从而改变各区域原子波的相位（或时序），而不影响另一侧。这种独立控制能力是此前阻碍此类测试的关键缺失环节。
原子准备就绪后，研究人员使用了一种物质波干涉仪（matter-wave interferometer）——这是一种可以分裂并重新组合原子波的装置——来测量粒子间的相关性。他们设置了四种不同的激光脉冲设置组合，并统计了来自顶部和底部区域的原子共同到达特定探测器的频率。如果原子遵循局部实在论的规则，那么它们到达时间的关联性将保持在某个限度之下。然而，数据展示了对这一限度的明显违背。研究人员计算出的数值为2.52，显著高于局部实在论允许的最大值2。其测量的不确定性足够小，使得该结果成为了对质量粒子量子非定域性的稳健确认。
这一成就不仅是一个技术里程碑，它还改变了我们对量子力学认知的范畴。我们首次获得证据，证明预测的“幽灵般的连接”不仅支配着原子的内部状态，还支配着物质在空间中的实际轨迹。实验证明，重原子的运动受到与光子相同的基本量子规则的约束。研究人员使用了大约3.8万次实验拍摄来收集数据，确保结果并非偶然。他们还验证了发现结果在不同检测区域大小下的一致性，排除了由数据分组方式引起的误差。
这项工作的意义不仅限于测试本身。独立控制运动原子相位的能力为新型精密测量打开了大门。它提供了一个强大的平台，用于研究量子力学如何与引力相互作用，而引力领域仍是物理学中最大的未解之谜之一。通过使用对引力场敏感的质量较大的粒子，科学家现在可以设计实验，观察引力是否会以光无法揭示的方式影响量子纠缠。研究人员还指出，该装置可用于测试不同同位素氦之间的纠缠，为探索质量、引力与量子非定域性之间的关系提供了一种独特方式。这项工作完成了原子光学领域的一个长期目标，将对“量子怪诞性”的研究从原子的内部世界转向了其外部运动的世界。
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