Correlazioni di Bell tra coppie di atomi 4He* intrecciati nel momento

Azione spettrale con atomi pesanti

Quando si parla delle stranezze della meccanica quantistica, spesso lo si fa nel contesto della luce: particelle di luce (fotoni) che sembrano influenzarsi istantaneamente a distanza. Ma se la teoria quantistica è davvero universale, lo stesso comportamento insolito dovrebbe manifestarsi anche in porzioni di materia — atomi reali con massa che cadono sotto la gravità come qualsiasi altro oggetto. Questo articolo riporta un passo fondamentale in quella direzione: dimostra che coppie di atomi di elio ultrafreddo possono condividere correlazioni “spettrali” nel loro moto che sfidano qualunque spiegazione basata su cause locali ordinarie.

Perché particelle distanti possono condividere un destino

Per decenni i fisici hanno usato un test matematico noto come disuguaglianza di Bell per chiedersi se il mondo sia governato da regole locali nascoste, oppure se la natura consenta veramente connessioni non locali tra particelle. Esperimenti con la luce e con gli stati interni degli atomi hanno ripetutamente mostrato che queste disuguaglianze vengono violate, privilegiando l’immagine quantistica dell’intreccio. Tuttavia, quasi tutti quei test hanno riguardato proprietà come la polarizzazione o lo spin — impostazioni interne di una particella — piuttosto che il moto effettivo della particella nello spazio. Dimostrare correlazioni di tipo Bell nel modo in cui particelle masse si muovono è cruciale se vogliamo sondare come la teoria quantistica si concilia con la gravità e con la nostra esperienza quotidiana di oggetti che hanno peso e quantità di moto.

Schiacciare nubi di atomi freddi per creare partner gemelli

Per affrontare questa sfida, i ricercatori partono da una nube di atomi di elio estremamente fredda, raffreddata in uno stato della materia noto come condensato di Bose–Einstein. In questo stato gli atomi si comportano collettivamente, quasi come un’unica grande onda di materia. Impulsi laser accuratamente temporizzati preparano prima gli atomi in uno stato interno magneticamente tranquillo e poi imprimono delicati colpi a porzioni della nube in modo che si muovano con momenti differenti. Queste porzioni mobili della nube collidono e, quando lo fanno, coppie di atomi vengono disperse in direzioni opposte, formando quasi sfere — “aloni” — di particelle nello spazio dei momenti. Ogni coppia sull’alone nasce testa-a-testa, così che se un atomo vola in una direzione, il suo partner vola esattamente nella direzione opposta, collegando i loro moti in modo quantistico.

Trasformare gli atomi sparsi in un interferometro quantistico

Il gruppo utilizza poi ulteriori impulsi laser come strumenti per guidare e mescolare questi atomi in volo, in diretta analogia con il modo in cui specchi e divisori di fascio guidano la luce in un interferometro ottico. Nella loro versione a onde di materia del modello Rarity–Tapster, selezionano quattro modi di impulso dai due aloni — due sul lato “sinistro” e due sul lato “destro” — che formano un quartetto di percorsi fortemente correlati. Altri impulsi laser svolgono il ruolo di specchi e divisori di fascio, deviando e combinando i percorsi in modo che un atomo possa raggiungere un rivelatore attraverso più di una via indistinguibile. Regolando la fase relativa dei fasci laser, gli sperimentatori controllano come queste diverse vie interferiscano, il che a sua volta modifica la frequenza con cui particolari combinazioni di coppie di atomi vengono rilevate insieme all’uscita.

Leggere i pattern quantistici nei click di rivelazione

Con un rivelatore altamente sensibile in grado di registrare singoli atomi di elio, i ricercatori ricostruiscono i momenti tridimensionali completi delle particelle disperse. Confermano innanzitutto che gli aloni contengono effettivamente coppie testa-a-testa molto fortemente correlate, con intensità di correlazione sufficientemente elevate da supportare un test di Bell. Poi misurano quanto spesso gli atomi vengono rilevati in ciascuna delle quattro combinazioni d’uscita mentre variano la fase dell’interferometro. Le probabilità di rivelazione congiunta oscillano in modo nitido e sfasato tra le diverse coppie d’uscita, proprio come ci si aspetterebbe se gli atomi fossero partiti in uno stato di Bell quasi ideale. Da queste probabilità costruiscono una funzione di correlazione di tipo Bell che segue una curva coseno levigata con ampiezza elevata, in notevole accordo con le previsioni teoriche che tengono conto del numero finito di atomi per modo.

Oltrepassare il confine tra mondo classico e quantistico

Per tradurre questi pattern in un’affermazione sulla natura della realtà, gli autori applicano una disuguaglianza di steering, un test progettato per escludere una vasta classe di modelli in cui un lato potrebbe ancora essere descritto da proprietà locali nascoste ordinarie. I loro dati mostrano una chiara violazione di questo limite, per quasi quattro deviazioni standard, il che significa che le correlazioni osservate tra atomi distanti non possono essere spiegate da tali immagini classiche. Pur non avendo ancora colmato tutti i loophole richiesti per un test di Bell definitivo — in particolare rimane la necessità di fasi regolabili in modo indipendente su regioni ampiamente separate — l’apparato dimostra che atomi massivi in movimento possono esibire nonlocalità di tipo Bell. Ciò apre la strada a futuri esperimenti che usano onde di materia intrecciate per sondare la gravità, testare idee fondamentali sul decoerenza e alimentare nuove tecnologie quantistiche di sensori e imaging.

Citazione: 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

Parole chiave: entanglement quantistico, correlazioni di Bell, atomi ultrafreddi, condensato di Bose–Einstein, interferometria atomica