Корреляции Белла между парами атомов 4He* с перепутанными импульсами

Жуткое действие с тяжёлыми атомами

Когда говорят о странностях квантовой механики, чаще всего это происходит в контексте света: фотонов, которые как будто мгновенно влияют друг на друга на расстоянии. Но если квантовая теория действительно универсальна, такое же необычное поведение должно проявляться и в частицах материи — в реальных атомах с массой, которые подчиняются гравитации как и всё остальное. Эта статья описывает важный шаг в этом направлении: показано, что пары ультрахолодных атомов гелия могут разделять «жуткие» корреляции в их движении, которые не объяснить обычными локальными причинами.

Почему удалённые частицы могут «разделять судьбу»

Десятилетиями физики используют математический тест, называемый неравенством Белла, чтобы установить, управляется ли мир скрытыми локальными правилами или природа действительно допускает нелокальные связи между частицами. Эксперименты со светом и с внутренними состояниями атомов не раз показывали нарушение этих неравенств, в пользу квантовой картины запутанности. Однако почти все такие тесты касались свойств вроде поляризации или спина — внутренних настроек частицы — а не её реального движения в пространстве. Демонстрация корреляций типа Белла в том, как массивные частицы движутся, имеет ключевое значение, если мы хотим исследовать, как квантовая теория согласуется с гравитацией и с повседневным опытом объектов, обладающих массой и импульсом.

Столкновение холодных облаков атомов для создания двойников

Чтобы решить эту задачу, исследователи начинают с экстремально холодного облака атомов гелия, охлаждённого до специального состояния вещества, известного как конденсат Бозе–Эйнштейна. В этом состоянии атомы ведут себя коллективно, почти как одна большая волна материи. Тщательно рассчитанные лазерные импульсы сначала подготавливают атомы в магнитно тихом внутреннем состоянии, а затем аккуратно придают части облака разные импульсы. Эти движущиеся части сталкиваются, и при столкновениях пары атомов рассеиваются в противоположных направлениях, формируя почти сферические «ореолы» частиц в пространстве импульсов. Каждая пара в ореоле рождается спиной к спине: если один атом летит в одном направлении, его партнёр уходит в точно противоположном, связывая их движения квантовым образом.

Преобразование рассеянных атомов в квантовый интерферометр

Затем команда использует дополнительные лазерные импульсы как инструменты для управления и смешивания летящих атомов, в прямой аналогии с тем, как зеркала и полупрозрачные отражатели направляют свет в оптическом интерферометре. В их волновом материальном варианте схемы Rarity–Tapster они отбирают четыре импульсных режима из двух ореолов — по два «слева» и «справа» — которые образуют квартет сильно коррелированных путей. Последующие лазерные импульсы выполняют роли зеркал и делителей пучка, перенаправляя и комбинируя пути так, что атом может попасть в детектор по более чем одному неразличимому маршруту. Меняя относительную фазу лазерных лучей, экспериментаторы контролируют интерференцию этих маршрутов, что в свою очередь изменяет частоту совместных регистраций определённых комбинаций пар атомов на выходе.

Чтение квантовых узоров в щелчках детектора

С помощью высокочувствительного детектора, способного регистрировать отдельные атомы гелия, исследователи реконструируют полные трёхмерные импульсы рассеянных частиц. Они сначала подтверждают, что ореолы действительно содержат очень сильно коррелированные пары «спина к спине», с величиной корреляции, достаточной для проведения теста Белла. Затем они измеряют, как часто атомы регистрируются в каждой из четырёх выходных комбинаций при изменении фазы в интерферометре. Совместные вероятности детекции осциллируют в чистом, сдвинутом по фазе паттерне между разными выходными парами, как и ожидалось для атомов, начавших в почти идеальном запутанном «состоянии Белла». По этим вероятностям они строят корреляционную функцию типа Белла, которая следует плавной косинусоидальной кривой с большой амплитудой, в впечатляющем соответствии с теоретическими предсказаниями, учитывающими конечное число атомов в каждом моде.

Пересечение границы между классическим и квантовым мирами

Чтобы перевести эти паттерны в утверждение о природе реальности, авторы применяют неравенство управления (steering inequality) — тест, предназначенный для исключения широкого класса моделей, в которых одну сторону всё ещё можно описать обычными локальными скрытыми свойствами. Их данные показывают явное нарушение этой границы почти на четыре сигма, что означает: наблюдаемые корреляции между удалёнными атомами нельзя объяснить такими классическими представлениями. Хотя текущая установка ещё не закрывает все лазейки, необходимые для окончательного теста Белла — в частности, всё ещё требуется независимо настраиваемые фазы в широко разнесённых регионах — она доказывает, что тяжёлые движущиеся атомы могут демонстрировать нелокальность типа Белла. Это прокладывает путь к будущим экспериментам с запутанными волнами материи для изучения гравитации, проверки фундаментальных идей о декогеренции и создания новых квантовых сенсорных и визуализирующих технологий.

Цитирование: 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

Ключевые слова: квантовая запутанность, корреляции Белла, ультрахолодные атомы, конденсат Бозе–Эйнштейна, атомная интерферометрия