Correlações de Bell entre pares entrelaçados em momento de átomos de 4He*

Ação fantasmagórica com átomos pesados

Quando ouvimos sobre as estranhezas da mecânica quântica, frequentemente é no contexto da luz: partículas de luz (fótons) que parecem influenciar-se instantaneamente à distância. Mas se a teoria quântica for realmente universal, o mesmo comportamento estranho também deve aparecer em porções de matéria — átomos reais com massa que caem sob a gravidade como qualquer outro objeto. Este artigo relata um marco nessa direção: mostra que pares de átomos de hélio ultrafrios podem compartilhar correlações “fantasmagóricas” em seu movimento que desafiam qualquer explicação baseada em causas locais ordinárias.

Por que partículas distantes podem compartilhar um destino

Durante décadas, físicos usam um teste matemático chamado desigualdade de Bell para questionar se o mundo é governado por regras locais ocultas ou se a natureza permite conexões não locais entre partículas. Experimentos com luz e com estados internos de átomos repetidamente mostraram que essas desigualdades são violadas, favorecendo a visão quântica do entrelaçamento. Contudo, quase todos esses testes trataram de propriedades como polarização ou spin — configurações internas da partícula — em vez do próprio movimento da partícula pelo espaço. Demonstrar correlações do tipo Bell no movimento de partículas massivas é crucial se quisermos sondar como a teoria quântica se articula com a gravidade e com nossa experiência cotidiana de objetos que têm peso e momento.

Colidindo nuvens de átomos frios para criar pares gêmeos

Para enfrentar esse desafio, os pesquisadores partem de uma nuvem de átomos de hélio extremamente fria, resfriada até um estado especial da matéria conhecido como condensado de Bose–Einstein. Nesse estado, os átomos se comportam coletivamente, quase como uma única grande onda de matéria. Pulsos de laser cronometrados preparam primeiro os átomos em um estado interno magneticamente silencioso e então impulsionam suavemente porções da nuvem para que se movam com momentos diferentes. Essas partes em movimento da nuvem colidem e, quando o fazem, pares de átomos espalham-se em direções opostas, formando “halos” quase esféricos de partículas no espaço de momento. Cada par no halo nasce costas com costas, de modo que se um átomo voa em uma direção, seu parceiro voa exatamente na direção oposta, ligando seus movimentos de forma quântica.

Transformando átomos espalhados em um interferômetro quântico

A equipe então usa pulsos adicionais de laser como ferramentas para guiar e misturar esses átomos em voo, em analogia direta a como espelhos e divisores de feixe guiam a luz em um interferômetro óptico. Em sua versão de onda de matéria do arranjo Rarity–Tapster, eles selecionam quatro modos de momento a partir dos dois halos — dois no lado “esquerdo” e dois no lado “direito” — que formam um quarteto de trajetórias fortemente correlacionadas. Pulsos adicionais de laser atuam como espelhos e divisores de feixe, redirecionando e combinando as trajetórias de modo que um átomo possa alcançar um detector por mais de uma rota indistinguível. Ajustando a fase relativa dos feixes de laser, os experimentadores controlam como essas rotas distintas interferem, o que por sua vez altera com que frequência combinações particulares de pares de átomos são detectadas simultaneamente na saída.

Lendo padrões quânticos nos cliques de detecção

Com um detector altamente sensível capaz de registrar átomos de hélio individualmente, os pesquisadores reconstruíram os momentos tridimensionais completos das partículas espalhadas. Primeiro confirmaram que os halos realmente contêm pares costas com costas fortemente correlacionados, com forças de correlação altas o suficiente para suportar um teste de Bell. Em seguida, mediram com que frequência átomos são detectados em cada uma das quatro combinações de saída enquanto variavam a fase do interferômetro. As probabilidades de detecção conjunta oscilam em um padrão limpo e defasado entre diferentes pares de saída, exatamente como esperado se os átomos tivessem começado em um “estado de Bell” quase ideal. A partir dessas probabilidades, constroem uma função de correlação do tipo Bell que segue uma curva cosseno suave com grande amplitude, em notável acordo com previsões teóricas que levam em conta o número finito de átomos por modo.

Cruzando a linha entre os mundos clássico e quântico

Para traduzir esses padrões em uma declaração sobre a natureza da realidade, os autores aplicam uma desigualdade de steering, um teste projetado para excluir uma ampla classe de modelos nos quais um dos lados ainda poderia ser descrito por propriedades locais ocultas ordinárias. Seus dados mostram uma violação clara desse limite, por quase quatro desvios padrão, o que significa que as correlações observadas entre átomos distantes não podem ser explicadas por tais imagens clássicas. Embora a configuração atual ainda não feche todas as brechas exigidas para um teste de Bell definitivo — em particular, ainda são necessárias fases independentemente ajustáveis em regiões amplamente separadas — ela demonstra que átomos pesados em movimento podem exibir não localidade do tipo Bell. Isso abre caminho para futuros experimentos que usem ondas de matéria entrelaçadas para sondar a gravidade, testar ideias fundamentais sobre decoerência e impulsionar novas tecnologias de sensoriamento e imagem quânticos.

Citação: 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

Palavras-chave: entrelaçamento quântico, correlações de Bell, átomos ultrafrios, condensado de Bose–Einstein, interferometria de átomos