Bell-correlaties tussen impulsgemoduleerde paren van 4He*-atomen

Spookachtige actie met zware atomen

Wanneer we horen over de vreemdheid van de kwantummechanica, is dat vaak in de context van licht: lichtdeeltjes (fotonen) die elkaar op afstand schijnbaar onmiddellijk beïnvloeden. Maar als de kwantumtheorie echt universeel is, zou hetzelfde vreemde gedrag ook bij materiedeeltjes moeten verschijnen — echte atomen met massa die net als alles anders onder de zwaartekracht vallen. Dit artikel beschrijft een mijlpaal in die richting: het toont aan dat paren ultrakoude heliumatomen "spookachtige" correlaties in hun beweging kunnen delen die geen verklaring vinden in gewone lokale oorzaken.

Waarom deeltjes op afstand een gedeeld lot kunnen hebben

Decennialang hebben natuurkundigen een wiskundige toets gebruikt, de Bell-ongelijkheid, om te onderzoeken of de wereld wordt bestuurd door verborgen lokale regels, of dat de natuur werkelijk niet-lokale verbindingen tussen deeltjes toestaat. Experimenten met licht en met interne toestanden van atomen hebben herhaaldelijk aangetoond dat deze ongelijkheden worden overtreden, wat het kwantumbeeld van verstrengeling ondersteunt. Bijna al die toetsen gingen echter over eigenschappen zoals polarisatie of spin — interne kenmerken van een deeltje — in plaats van over de eigenlijke beweging van het deeltje door de ruimte. Het aantonen van Bell-achtige correlaties in de beweging van massieve deeltjes is cruciaal als we willen onderzoeken hoe de kwantumtheorie samengaat met zwaartekracht en met onze alledaagse ervaring van voorwerpen met gewicht en impuls.

Het laten botsen van koude atoomwolken om tweelingpartners te maken

Om deze uitdaging aan te gaan, beginnen de onderzoekers met een extreem koude wolk heliumatomen, afgekoeld tot een bijzondere materietoestand die bekendstaat als een Bose–Einstein-condensaat. In deze toestand gedragen de atomen zich collectief, bijna als één grote materiegolf. Zorgvuldig getimede laserpulsen brengen de atomen eerst in een magnetisch rustige interne toestand en geven vervolgens delen van de wolk een zachte duw zodat ze met verschillende impulsen bewegen. Deze bewegende delen van de wolk botsen, en wanneer dat gebeurt, verstrooien paren atomen in tegengestelde richtingen en vormen vrijwel bolvormige "halo's" van deeltjes in impulsruimte. Elk paar op een halo wordt achterstevoren geboren, zodat als het ene atoom in de ene richting wegvliegt, de partner precies in de tegenovergestelde richting gaat, waardoor hun beweging kwantummechanisch verbonden raakt.

Verstrooide atomen omvormen tot een kwantuminterferometer

Het team gebruikt daarna extra laserpulsen als instrumenten om deze vliegende atomen te sturen en te mengen, in directe analogie met hoe spiegels en bundelsplitsers licht in een optische interferometer leiden. In hun materiegolfversie van de Rarity–Tapster-opstelling selecteren ze vier impulsmodi uit de twee halo's — twee aan de "linker"zijde en twee aan de "rechter" — die een viertal sterk gecorreleerde paden vormen. Verdere laserpulsen vervullen de rollen van spiegels en bundelsplitsers, waardoor de paden worden omgeleid en gecombineerd zodat een atoom een detector via meer dan één ononderscheidbare route kan bereiken. Door de relatieve fase van de laserbundels aan te passen, beheersen de experimentatoren hoe deze verschillende routes interfereren, wat op zijn beurt verandert hoe vaak bepaalde combinaties van atoomparen samen bij de uitgang worden gedetecteerd.

Kwantumpatronen lezen in de detectieklikjes

Met een zeer gevoelige detector die individuele heliumatomen kan registreren, reconstrueren de onderzoekers de volledige driedimensionale impulsen van de verstrooide deeltjes. Ze bevestigen eerst dat de halo's inderdaad zeer sterk gecorreleerde tegen-de-achterkant-paren bevatten, met correlatiesterktes hoog genoeg om een Bell-toets te ondersteunen. Vervolgens meten ze hoe vaak atomen in elk van de vier uitgangscombinaties worden gedetecteerd terwijl ze de fase van de interferometer variëren. De gezamenlijke detectiekansen oscilleren in een zuiver, uit-de-fase patroon tussen verschillende uitgangspaarcombinaties, precies zoals verwacht indien de atomen begonnen in een bijna ideale verstrengelde "Bell-toestand." Uit deze kansen construeren ze een Bell-achtige correlatiefunctie die een vloeiende cosinuscurve volgt met grote amplitude, in opmerkelijke overeenstemming met theoretische voorspellingen die rekening houden met het eindige aantal atomen per mode.

De grens tussen klassieke en kwantumwerelden overschrijden

Om deze patronen te vertalen naar een uitspraak over de aard van de realiteit, passen de auteurs een steering-ongelijkheid toe, een test bedoeld om een brede klasse modellen uit te sluiten waarin één zijde nog steeds kan worden beschreven door gewone lokale verborgen eigenschappen. Hun gegevens tonen een duidelijke schending van deze grens aan, bijna vier standaarddeviaties, wat betekent dat de waargenomen correlaties tussen verre atomen niet verklaard kunnen worden door zulke klassieke beelden. Hoewel de huidige opstelling nog niet alle kieren sluit die nodig zijn voor een definitieve Bell-toets — in het bijzonder ontbreken nog onafhankelijk instelbare fasen op ver uiteenliggende regio's — bewijst het dat zware atomen in beweging Bell-achtige niet-lokaliteit kunnen vertonen. Dit effent de weg voor toekomstige experimenten die verstrengelde materiegolven gebruiken om zwaartekracht te onderzoeken, fundamentele ideeën over decoherentie te testen en nieuwe kwantumsensor- en beeldvormingstechnologieën aan te drijven.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: quantumverstrengeling, Bell-correlaties, ultrakoude atomen, Bose–Einstein-condensaat, atoominterferometrie