Correlaciones de Bell entre pares entrelazados en momento de átomos de 4He*

Acción fantasmal con átomos pesados

Cuando oímos hablar de la extrañeza de la mecánica cuántica, a menudo es en el contexto de la luz: partículas de luz (fotones) que parecen influirse instantáneamente a distancia. Pero si la teoría cuántica es realmente universal, ese mismo comportamiento extraño debería aparecer también en porciones de materia: átomos reales con masa que caen bajo la gravedad como cualquier otro objeto. Este artículo presenta un paso clave en esa dirección: muestra que pares de átomos de helio ultrafrío pueden compartir correlaciones “fantasmales” en su movimiento que desafían toda explicación basada en causas locales ordinarias.

Por qué partículas distantes pueden compartir un destino

Durante décadas, los físicos han empleado una prueba matemática llamada desigualdad de Bell para preguntarse si el mundo está regido por reglas locales ocultas o si la naturaleza permite realmente conexiones no locales entre partículas. Experimentos con luz y con estados internos de átomos han mostrado repetidamente que estas desigualdades se violan, favoreciendo la visión cuántica del entrelazamiento. Sin embargo, casi todas esas pruebas trataron propiedades como la polarización o el espín —ajustes internos de una partícula— en lugar del movimiento real de la partícula por el espacio. Demostrar correlaciones de tipo Bell en cómo se mueven partículas masivas es crucial si queremos explorar cómo la teoría cuántica encaja con la gravedad y con nuestra experiencia cotidiana de objetos con masa y momento.

Colisionar nubes de átomos fríos para crear parejas gemelas

Para abordar este desafío, los investigadores parten de una nube de átomos de helio extremadamente fría, enfriada hasta un estado especial de la materia conocido como condensado de Bose–Einstein. En este estado, los átomos se comportan de forma colectiva, casi como una única onda de materia gigante. Pulsos láser cronometrados preparan primero a los átomos en un estado interno magnéticamente tranquilo y luego empujan suavemente porciones de la nube para que se desplacen con distintos momentos. Estas partes móviles de la nube colisionan, y cuando lo hacen, parejas de átomos se dispersan en direcciones opuestas, formando “halos” casi esféricos de partículas en el espacio de momentos. Cada pareja en un halo nace espalda con espalda, de modo que si un átomo sale volando en una dirección, su compañero se desplaza exactamente en la dirección opuesta, vinculando sus movimientos de forma cuántica.

Convertir átomos dispersados en un interferómetro cuántico

El equipo utiliza luego pulsos láser adicionales como herramientas para guiar y mezclar estos átomos en vuelo, en directa analogía con cómo espejos y divisores de haz conducen la luz en un interferómetro óptico. En su versión de ondas de materia del montaje Rarity–Tapster, seleccionan cuatro modos de momento de los dos halos —dos en el lado “izquierdo” y dos en el “derecho”— que forman un cuarteto de trayectorias fuertemente correlacionadas. Pulsos láser adicionales desempeñan los papeles de espejos y divisores de haz, redirigiendo y combinando las trayectorias de modo que un átomo pueda alcanzar un detector por más de una ruta indistinguible. Al ajustar la fase relativa de los haces láser, los experimentadores controlan cómo interfieren estas rutas diferentes, lo que a su vez modifica la frecuencia con que se detectan juntas combinaciones particulares de pares de átomos en la salida.

Leer patrones cuánticos en los clics del detector

Con un detector altamente sensible capaz de registrar átomos individuales de helio, los investigadores reconstruyen los momentos tridimensionales completos de las partículas dispersadas. Primero confirman que los halos contienen de hecho pares espalda con espalda muy fuertemente correlacionados, con fortalezas de correlación lo bastante altas como para soportar una prueba de Bell. Luego miden con qué frecuencia se detectan átomos en cada una de las cuatro combinaciones de salida mientras varían la fase del interferómetro. Las probabilidades de detección conjunta oscilan en un patrón limpio y desfasado entre diferentes pares de salida, tal como se esperaría si los átomos comenzaran en un estado entrelazado casi ideal de tipo Bell. A partir de estas probabilidades construyen una función de correlación de tipo Bell que sigue una curva coseno suave con gran amplitud, en notable acuerdo con predicciones teóricas que tienen en cuenta el número finito de átomos por modo.

Cruzando la línea entre los mundos clásico y cuántico

Para traducir estos patrones a una afirmación sobre la naturaleza de la realidad, los autores aplican una desigualdad de steering (dirección cuántica), una prueba diseñada para descartar una amplia clase de modelos en los que un lado podría aún describirse mediante propiedades locales ocultas ordinarias. Sus datos muestran una clara violación de este límite, por casi cuatro desviaciones estándar, lo que significa que las correlaciones observadas entre átomos distantes no pueden explicarse por tales imágenes clásicas. Aunque el montaje actual aún no cierra todas las lagunas requeridas para una prueba definitiva de Bell —en particular, todavía necesita fases ajustables de forma independiente en regiones ampliamente separadas— demuestra que átomos pesados en movimiento pueden exhibir no localidad de tipo Bell. Esto abre el camino a futuros experimentos que utilicen ondas de materia entrelazadas para sondear la gravedad, testear ideas fundamentales sobre la decoherencia y potenciar nuevas tecnologías de detección e imagen cuánticas.

Cita: 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

Palabras clave: entrelazamiento cuántico, correlaciones de Bell, átomos ultrafríos, condensado de Bose–Einstein, interferometría de átomos