Bell-Korrelationen zwischen impulsverschränkten Paaren von 4He*-Atomen

Spukhafte Fernwirkung mit schweren Atomen

Wenn wir von der Eigenart der Quantenmechanik hören, dann meist im Zusammenhang mit Licht: Lichtteilchen (Photonen), die sich scheinbar augenblicklich über Distanz gegenseitig beeinflussen. Wenn die Quantentheorie jedoch wirklich universell ist, sollte sich dasselbe seltsame Verhalten auch bei Materie zeigen — bei echten Atomen mit Masse, die wie alles andere der Schwerkraft unterliegen. Dieser Artikel berichtet einen wichtigen Meilenstein in dieser Richtung: Er zeigt, dass Paare ultrakalter Heliumatome „spukhafte" Korrelationen in ihrer Bewegung teilen können, die sich nicht durch normale lokale Ursachen erklären lassen.

Warum entfernte Teilchen ein gemeinsames Schicksal teilen können

Seit Jahrzehnten verwenden Physiker einen mathematischen Test, die Bellsche Ungleichung, um zu prüfen, ob die Welt von verborgenen lokalen Regeln bestimmt wird oder ob die Natur tatsächlich nichtlokale Verbindungen zwischen Teilchen zulässt. Experimente mit Licht und mit internen Zuständen von Atomen haben wiederholt gezeigt, dass diese Ungleichungen verletzt werden, was das quantenmechanische Bild der Verschränkung stützt. Fast alle diese Tests betrafen jedoch Eigenschaften wie Polarisation oder Spin — interne Freiheitsgrade eines Teilchens — und nicht die tatsächliche Bewegung des Teilchens durch den Raum. Bell-ähnliche Korrelationen in der Bewegung massiver Teilchen nachzuweisen, ist entscheidend, wenn man untersuchen will, wie die Quantentheorie mit der Gravitation und mit unserer alltäglichen Erfahrung von Objekten mit Gewicht und Impuls zusammenpasst.

Kalte Atomwolken zum Zusammenstoß bringen, um Zwillingspartner zu erzeugen

Um diese Herausforderung anzugehen, beginnen die Forscher mit einer extrem kalten Wolke von Heliumatomen, die in einen speziellen Materiezustand gebracht wurde, bekannt als Bose–Einstein-Kondensat. In diesem Zustand verhalten sich die Atome kollektiv, fast wie eine einzelne riesige Materiewelle. Zeitlich sorgfältig abgestimmte Laserpulse bereiten die Atome zunächst in einen magnetisch ruhigen internen Zustand vor und stoßen dann Teile der Wolke so an, dass sie sich mit unterschiedlichen Impulsen bewegen. Diese sich bewegenden Anteile kollidieren, und dabei streuen Paare von Atomen in entgegengesetzte Richtungen aus und bilden nahezu sphärische „Halo"-Strukturen im Impulsraum. Jedes Paar auf einem Halo entsteht back-to-back, sodass wenn ein Atom in eine Richtung fliegt, sein Partner genau in die entgegengesetzte Richtung fliegt und damit ihre Bewegungen auf quantenmechanische Weise verknüpft sind.

Gestreute Atome in ein Quanteninterferometer verwandeln

Das Team verwendet anschließend zusätzliche Laserpulse als Werkzeuge, um diese fliegenden Atome zu lenken und zu mischen — in direkter Analogie dazu, wie Spiegel und Strahlteiler Licht in einem optischen Interferometer führen. In ihrer Materiewellen-Variante des Rarity–Tapster-Aufbaus wählen sie vier Impulsmoden aus den beiden Halos aus — jeweils zwei auf der „linken" Seite und zwei auf der „rechten" — die ein Quartett stark korrelierter Wege bilden. Weitere Laserpulse übernehmen die Rollen von Spiegeln und Strahlteilern, leiten die Wege um und kombinieren sie, so dass ein Atom einen Detektor über mehr als einen nicht unterscheidbaren Pfad erreichen kann. Durch Einstellen der relativen Phase der Laserstrahlen kontrollieren die Experimentatoren, wie diese verschiedenen Wege interferieren, was wiederum die Häufigkeit ändert, mit der bestimmte Kombinationen von Atompaaren gemeinsam am Ausgang detektiert werden.

Quantenmuster in den Detektionsklicks auslesen

Mit einem hochempfindlichen Detektor, der einzelne Heliumatome registrieren kann, rekonstruieren die Forscher die vollständigen dreidimensionalen Impulse der gestreuten Teilchen. Zuerst bestätigen sie, dass die Halos tatsächlich sehr stark korrelierte back-to-back-Paare enthalten, mit Korrelationen so stark, dass ein Bell-Test möglich ist. Dann messen sie, wie oft Atome in jeder der vier Ausgangskombinationen detektiert werden, während sie die Phase des Interferometers variieren. Die gemeinsamen Detektionswahrscheinlichkeiten oszillieren in einem klaren, phasenverschobenen Muster zwischen verschiedenen Ausgangspaaren — genau wie erwartet, wenn die Atome in einem annähernd idealen verschränkten "Bell-Zustand" gestartet sind. Aus diesen Wahrscheinlichkeiten konstruieren sie eine Bell-ähnliche Korrelationsfunktion, die einer glatten Kosinuskurve mit großer Amplitude folgt, in bemerkenswerter Übereinstimmung mit theoretischen Vorhersagen, die die endliche Zahl von Atomen pro Mode berücksichtigen.

Die Grenze zwischen klassischer und quantenwelt überschreiten

Um diese Muster in eine Aussage über die Natur der Realität zu übersetzen, wenden die Autoren eine Steering-Ungleichung an — einen Test, der entworfen wurde, um eine breite Klasse von Modellen auszuschließen, in denen eine Seite noch durch gewöhnliche lokale verborgene Eigenschaften beschrieben sein könnte. Ihre Daten zeigen eine deutliche Verletzung dieser Schranke, um fast vier Standardabweichungen, was bedeutet, dass die beobachteten Korrelationen zwischen entfernten Atomen nicht durch solche klassischen Bilder erklärt werden können. Zwar schließt der aktuelle Aufbau noch nicht alle Schlupflöcher, die für einen endgültigen Bell-Test nötig wären — insbesondere fehlen noch unabhängig einstellbare Phasen in weit auseinanderliegenden Regionen — doch er beweist, dass schwere, in Bewegung befindliche Atome Bell-artige Nichtlokalität zeigen können. Das ebnet den Weg für künftige Experimente, die verschränkte Materiewellen zur Untersuchung der Gravitation, zum Test grundlegender Ideen zur Dekohärenz und zur Entwicklung neuer quantensensitiver und bildgebender Technologien verwenden.

Zitation: Athreya, Y.S., Kannan, S., Yan, X.T. et al. Bell correlations between momentum-entangled pairs of ⁴He^* atoms. Nat Commun 17, 2357 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69070-3

Schlüsselwörter: Quantenverschränkung, Bell-Korrelationen, ultrakalte Atome, Bose–Einstein-Kondensat, Atominterferometrie