運動でもつれた4He*原子対の間のベル相関

重い原子による「不気味な作用」

量子力学の奇妙さが語られるとき、しばしば光、すなわち遠く離れているのに互いに瞬時に影響し合うように見える光子の文脈で扱われます。しかしもし量子理論が本当に普遍的であるならば、同じ不思議な振る舞いは重さを持ち、重力のもとで他の物体と同様に落下する実際の原子にも現れるはずです。本稿はその方向への画期的な一歩を報告します：超冷却ヘリウム原子の対が、その運動において「不気味な」相関を共有し、通常の局所的な因果で説明できないことを示しています。

なぜ離れた粒子が運命を共有できるのか

何十年にもわたり、物理学者はベルの不等式と呼ばれる数学的検定を用いて、世界が隠れた局所的な法則によって支配されているのか、それとも粒子間に非局所的なつながりを自然が許すのかを問ってきました。光や原子の内部状態を用いた実験は繰り返しこれらの不等式が破られることを示し、もつれという量子像を支持してきました。しかし、そのほとんどは偏光やスピンのような内部の性質――粒子の空間的な運動ではなく――を扱っていました。質量を持つ粒子の運動においてベル型の相関を実証することは、量子理論が重力や重さ・運動量を持つ日常的な物体とどう整合するかを探るうえで重要です。

冷たい原子雲を衝突させて双子のパートナーを作る

この課題に取り組むため、研究者たちはまず極めて冷たいヘリウム原子の雲を用意し、それをボース＝アインシュタイン凝縮という特別な物質状態まで冷却します。この状態では原子は集合的に振る舞い、ほとんど一つの巨大な物質波のようになります。時間を精密に制御したレーザーパルスで原子を磁気的に静かな内部状態に整え、続いて雲の一部をそっと弾いて異なる運動量で動かします。動き出した雲の部分同士が衝突すると、その際に原子の対が逆方向へ散乱し、運動量空間にほぼ球状の“ハロー”を形成します。ハロー上の各対は逆向きに誕生するため、片方がある方向に飛べば、相手はちょうど反対方向に飛び、運動が量子的に結びつきます。

散乱した原子を量子干渉計に変える

研究チームはさらにレーザーパルスを使って飛び去る原子を操り、混ぜ合わせます。これは光を導く鏡やビームスプリッタと同じように機能します。彼らの物質波版ラリティ—タプスター配置では、二つのハローから四つの運動量モードを選び出します――“左”側に二つ、“右”側に二つ――これらが強く相関した四重の経路を形成します。追加のレーザーパルスが鏡やビームスプリッタの役割を果たし、経路をそらしたり合流させたりして、原子が複数の区別できない経路を通って検出器に到達できるようにします。レーザービームの相対位相を調整することで、実験者はこれらの異なる経路がどのように干渉するかを制御し、その結果として出力でどの原子対の組合せが同時検出される頻度が変わります。

検出のクリックから量子パターンを読み取る

個々のヘリウム原子を登録できる高感度検出器を用いて、研究者たちは散乱粒子の三次元運動量を完全に再構成します。まずハローが実際に非常に強く相関した逆向きの対を含んでいることを確認し、その相関強度はベル検定を支えるのに十分でした。つぎに、干渉計の位相を変えながら四つの出力組合せそれぞれで原子が検出される頻度を測定します。結合検出確率は、理想に近いもつれた“ベル状態”で開始した場合に期待される通り、異なる出力対の間で位相がずれたきれいな振動を示します。これらの確率から彼らはベル型相関関数を構築し、それは有限のモード当たり原子数を考慮した理論予測と著しく一致する大きな振幅を持つ滑らかな余弦曲線に従います。

古典世界と量子世界の境界を越える

これらのパターンを現実の性質についての主張に翻訳するため、著者らはステアリング不等式を適用します。これは一方の側がまだ通常の局所的な隠れた性質で記述できるような広いクラスのモデルを排除するための検定です。彼らのデータはこの境界が明確に破られていることを示しており、その差はほぼ四標準偏差に達します。これは、離れた原子間の観測された相関がそのような古典的な図式では説明できないことを意味します。現在の実験系は決定的なベル検定に必要なすべての抜け穴をまだ閉じているわけではありません――特に広く離れた領域で独立に調整可能な位相が必要です――が、運動する重い原子がベル型の非局所性を示し得ることを示しました。これにより、もつれた物質波を用いて重力を探る実験、デコヒーレンスに関する基礎的な考えを検証する研究、そして新たな量子センシングやイメージング技術への応用に道が開かれます。

引用: 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

キーワード: 量子もつれ, ベル相関, 超冷却原子, ボース＝アインシュタイン凝縮, 原子干渉計