4He* 原子动量纠缠对之间的贝尔关联

沉重原子的“诡异作用”

当我们听到量子力学的怪异现象时，往往与光联系在一起：光的粒子（光子）似乎可以在远距离上瞬间相互影响。但如果量子理论确实是普适的，同样的奇异行为也应出现在有质量的物质块中——像其他物体一样在重力下下落的真实原子。本文报道了朝这个方向迈出的一个里程碑式步骤：表明超冷氦原子对可以在其运动上共享“诡异”的关联，这些关联无法用普通局域原因来解释。

为什么遥远的粒子会共享一种命运

几十年来，物理学家使用一种称为贝尔不等式的数学检验来探问世界是否由隐藏的局域规则支配，或者自然是否真正允许粒子之间的非局域联系。关于光以及原子的内部态的实验反复显示这些不等式被违背，支持量子纠缠的图景。然而，几乎所有这些检验都处理诸如偏振或自旋等性质——粒子的内部自由度——而不是粒子在空间中的实际运动。若要探讨量子理论如何与重力以及我们对有质量、有动量物体的日常经验相契合，证明质量粒子运动中的贝尔型关联至关重要。

碰撞冷原子云以制造成对伙伴

为了解决这一挑战，研究人员从一团极度冷却的氦原子开始，将其冷却到一种称为玻色–爱因斯坦凝聚的特殊物态。在该状态中，原子表现出集体行为，几乎像一个巨大的物质波。精心定时的激光脉冲先将原子制备到一个磁性安静的内部态，然后轻柔地推动云的部分，使它们以不同动量运动。这些运动片段发生碰撞，碰撞时，成对原子会向相反方向散射，在动量空间中形成近乎球形的“晕环”。每对出现在晕环上的原子都是背靠背产生的，因此如果一个原子朝一个方向飞去，它的伙伴就会以完全相反的方向飞离，以量子方式将它们的运动联系起来。

将散射原子变为量子干涉仪

然后团队使用额外的激光脉冲作为工具来引导和混合这些飞行的原子，这与镜子和分束器引导光在光学干涉仪中的作用直接类比。在他们的物质波版本的 Rarity–Tapster 装置中，他们从两个晕环中挑选出四个动量模态——两个位于“左侧”，两个位于“右侧”——构成一组强烈相关的路径四联体。进一步的激光脉冲扮演镜子和分束器的角色，重新定向并合并这些路径，使得原子可以通过多个不可区分的路线到达探测器。通过调节激光束的相对相位，实验者控制这些不同路线如何干涉，进而改变在输出端特定原子对组合被共同探测到的频率。

在探测点击中读取量子图样

借助能够记录单个氦原子的高灵敏度探测器，研究人员重建了散射粒子的完整三维动量。他们首先确认晕环确实包含非常强烈的背靠背关联对，其关联强度足以支持贝尔检验。接着他们测量在改变干涉仪相位时四种输出组合中原子被探测到的频率。当干涉仪相位变化时，联合探测概率在不同输出对之间以干净、相位相反的模式振荡，正如若原子起始于近似理想的纠缠“贝尔态”所预期的那样。由这些概率构建的贝尔型关联函数呈现出一条幅值很大的平滑余弦曲线，与考虑到每个模态中有限原子数的理论预测非常吻合。

跨越经典与量子世界的界线

为了将这些图样转换为关于现实本质的陈述，作者应用了一种操控不等式（steering inequality），这是一种设计用来排除一大类模型的检验，在这些模型中一侧仍可由普通的局域隐藏属性描述。他们的数据清晰地违背了这一界限，几乎达到四个标准差的显著性，这意味着观察到的遥远原子之间的关联不能用此类经典图景来解释。尽管当前装置尚未关闭所有进行决定性贝尔检验所需的漏洞——尤其是在相距较远的区域上仍需独立可调的相位——但它证明了运动中的重原子可以表现出贝尔式的非局域性。这为未来利用纠缠物质波探测重力、检验有关去相干的基础性观点，以及推动新型量子传感和成像技术的实验铺平了道路。

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

关键词: 量子纠缠, 贝尔关联, 超冷原子, 玻色–爱因斯坦凝聚, 原子干涉仪