קורלציות בל של זוגות מיתרים במומנטים של אטומי 4He*

פעולה מצמררת עם אטומים כבדים

כאשר שומעים על המוזרות של מכניקת הקוונטים, זה לעתים קרובות בהקשר של אור: חלקיקי אור (פוטונים) שנראים משפיעים זה על זה מידית על פני מרחק. אבל אם התיאוריה הקוונטית אכן אוניברסלית, אותו התנהגות מוזרה אמורה להופיע גם בקשיחי חומר — אטומים ממשיים עם מסה שנופלים תחת כוח הכבידה כמו כל דבר אחר. המאמר הזה מדווח על צעד מכונן בכיוון הזה: הוא מראה שזוגות של אטומי הליום קרים במיוחד יכולים לחלוק קורלציות “מצמררות” בתנועתם שמאתגרות כל הסבר המבוסס על סיבות מקומיות שגרתיות.

למה חלקיקים מרוחקים יכולים לחלוק גורל

עשרות שנים פיזיקאים השתמשו בבדיקה מתמטית שנקראת אי-שוויון בל כדי לשאול האם העולם מונחה על-ידי כללים מקומיים נסתרים, או האם הטבע באמת מאפשר חיבורים לא מקומיים בין חלקיקים. ניסויים עם אור ועם מצבי הפנימיים של אטומים הראו שוב ושוב שהאי-שוויונות האלה מופרעים, לטובת התמונה הקוונטית של שזירה. עם זאת, כמעט כל הבדיקות האלה התייחסו לתכונות כמו קיטוב או ספין — הגדרות פנימיות של חלקיק — ולא לתנועת החלקיק עצמה במרחב. הדגמת קורלציות בסגנון בל באופן שבו חלקיקים בעלי מסה נעים היא קריטית אם ברצוננו לבחון איך התיאוריה הקוונטית משתלבת עם הכבידה ועם החוויה היומיומית שלנו של עצמים שיש להם משקל ותנע.

הלמה של ענני אטומים קרים כדי ליצור בני-זוג תאומים

כדי להתמודד עם האתגר הזה, החוקרים מתחילים בענן הליום קר מאוד, מקורר למצב חומר מיוחד הידוע כעיבוי בוז–איינשטיין. במצב זה, האטומים מתנהגים באופן קולקטיבי, כמעט כמו גל חומר ענק יחיד. פולסים של לייזר המתוזמנים בקפידה מכינים תחילה את האטומים במצב פנימי שקט מבחינה מגנטית ואז דוחפים בעדינות חלקים מהענן כך שילכו עם מומנטים שונים. חלקים נעים אלה של הענן מתנגשים, וכשהם עושים זאת, זוגות של אטומים מתפזרים בכיוונים מנוגדים, ויוצרים "עננים" כמעט כדוריים של חלקיקים במרחב המומנטום. כל זוג בענן יוצא בסמוך לאחור–לכיוון־הפוך, כך שאם אטום אחד פורח בכיוון מסוים, בן-זוגו פורח בכיוון ההפוך בדיוק, וקושר את תנועותיהם בדרך קוונטית.

הפיכת אטומים מתפזרים לאינטרפרומטר קוונטי

הצוות משתמש אז בפולסים נוספים של לייזר ככלים לכיוון ולערבוב האטומים המעופפים, בדמיון ישיר לאופן שבו מראות ומחלקי קרן מכוונים אור באינטרפרומטר אופטי. בגרסת גל-החומר שלהם של מערך Rarity–Tapster הם בוחרים ארבעה מצבי מומנטום משני העננים — שניים בצד "שמאל" ושניים בצד "ימין" — היוצרים רביעייה של נתיבים בעלי קורלציה חזקה. פולסי לייזר נוספים ממלאים את תפקיד המראות ומחלקי הקרן, מנווטים ומשלבים את הנתיבים כך שאטום יכול להגיע לגלאי דרך יותר מנתיב בלתי מובחן אחד. על-ידי התאמת הפאזה היחסית של קווי הלייזר, הנסיינים שולטים באופן שבו הנתיבים השונים מעורבים, מה שמשנה בתורו כמה פעמים צירופי זוגות מסוימים של אטומים מזוהים יחד ביציאה.

קריאת תבניות קוונטיות מתוך הקליקים של הגילוי

עם גלאי רגיש מאוד המסוגל לרשום אטומים בודדים של הליום, החוקרים משחזרים את כל שלושת רכיבי המומנטום של החלקיקים המתפזרים. הם ראשית מאשרים שהעננים אכן מכילים זוגות חזקים מאוד קורלציוניים גב־לגב, בעוצמות קורלציה גבוהות מספיק כדי לתמוך בבדיקת בל. לאחר מכן הם מודדים כמה לעתים מזוהים אטומים בכל אחד מארבעת צירופי היציאה כאשר הם משנה את פאזת האינטרפרומטר. ההסתברויות של הגילוי המשותף מתנודדות בתבנית נקייה, מחוץ-פאזית, בין זוגות יציאה שונים, בדיוק כפי שיהיה ציפייה אם האטומים התחילו ב"מצב בל" שזור כמעט אידיאלי. מההסתברויות האלה הם בונים פונקציית קורלציה בסגנון בל העוקבת אחרי עקומת קוסינוס חלקה עם משרעת גדולה, בהתאמה מרשימה לתחזיות התיאורטיות המתחשבות במניין הסופי של האטומים לכל מצב.

חציית הקו בין העולם הקלאסי והקוונטי

כדי לתרגם את התבניות האלה להצהרה על טבע המציאות, המחברים מיישמים אי-שוויון סטריירינג, בדיקה שנועדה לשלול מחלקה רחבה של מודלים שבהם צד אחד עשוי עדיין להיות מתואר על-ידי תכונות מקומיות נסתרות שגרתיות. הנתונים שלהם מראים הפרה ברורה של גבול זה, בכמעט ארבע סטיות תקן, כלומר שהקורלציות שנצפו בין אטומים מרוחקים אינן ניתנות להסבר בתמונות קלאסיות כאלה. בעוד שהתצורה הנוכחית עוד לא סוגרת כל פרצה הנדרשת לניסוי בל סופי — ובפרט, היא עדיין זקוקה לפאזות ניתנות לכיול עצמאי באזורים מרוחקים ביותר — היא מוכיחה שאטומים כבדים בתנועה יכולים להפגין אי-מקומיות בסגנון בל. זה פותח את הדרך לניסויים עתידיים שיכולים להשתמש בגלי חומר שזורים כדי לחקור את הכבידה, לבחון רעיונות יסודיים על דעיכה קוהרנטית, ולהניע טכנולוגיות חדשות לחישה ותמונה קוונטיות.

ציטוט: 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

מילות מפתח: שזירה קוונטית, קורלציות של בל, אטומים קרים במיוחד, עיבוי בוז–איינשטיין, התערבות אטומית