Quantenphänomene sind normalerweise die Domäne des unvorstellbar Kleinen – einzelne Atome, Moleküle oder Photonen, die in Isolation gehegt werden müssen. Aber was, wenn dieselben seltsamen Effekte in etwas existieren könnten, das man tatsächlich in der Hand halten kann? Forscher der TU Wien haben nun überzeugende Beweise dafür geliefert, dass dies möglich ist, und zwar mit einem zentimetergroßen Kristall aus einem Material, das als seltsames Metall bekannt ist. Sie entdeckten ein hohes Maß an Quantenverschränkung, einem der größten Hits der Quantenphysik, mithilfe einer Technik aus der Quanteninformationswissenschaft namens Quanten-Fisher-Information. Die Ergebnisse schaffen eine neue Verbindung zwischen Quanteninformation und Festkörperphysik und zeigen, dass Verschränkung direkt in einem makroskopischen seltsamen Metall gemessen werden kann.

Die Frage, ob die Quantenmechanik nur für winzige Teilchen oder auch für größere Objekte gilt, wird seit den Anfängen des Fachgebiets diskutiert. Erwin Schrödinger veranschaulichte das Rätsel berühmt mit seinem Gedankenexperiment einer Katze, die gleichzeitig lebendig und tot ist, bis man sie beobachtet – ein Szenario, das glücklicherweise theoretisch bleibt. Seitdem haben Wissenschaftler immer wieder die Grenzen dessen verschoben, wie groß ein System sein kann, das Quantenverhalten zeigt. Das Team der TU Wien näherte sich der Frage aus einem anderen Blickwinkel. „Unser Ansatz ist anders“, sagt Prof. Silke Bühler-Paschen vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien. „Wir versuchen nicht, den Kristall als Ganzes in eine Überlagerung zweier Zustände zu bringen. Stattdessen fragen wir, ob seine Bestandteile – gemeinsam – in einem solchen verschränkten Zustand sind.“ Eher als Schrödingers Katze, so Bühler-Paschen, gleiche das Experiment einem Ameisenhaufen: Wenn man ihn stört, kommt die Reaktion von der Kolonie, die gemeinsam handelt, nicht von einer einzelnen Ameise. Die Forscher wollten herausfinden, ob sich die Teilchen im Kristall ähnlich koordiniert verhalten.

Der theoretische Rahmen für das Experiment wurde von dem Innsbrucker Quantenphysiker Peter Zoller und seinen Kollegen entwickelt. Ihre Arbeit zeigte, dass die Quanten-Fisher-Information Quantenverschränkung selbst in komplexen Systemen mit enorm vielen wechselwirkenden Teilchen identifizieren kann. „Die Quanten-Fisher-Information quantifiziert, wie empfindlich ein Quantensystem auf eine Änderung reagiert“, erklärt Bühler-Paschen. „Bei einer Ansammlung unabhängiger Teilchen ist die Reaktion begrenzt, weil jedes Teilchen für sich allein beiträgt. Sind die Teilchen jedoch verschränkt, kann das gesamte System stärker reagieren als die Summe seiner Einzelteile. Diese erhöhte Empfindlichkeit macht Verschränkung zu einer so wertvollen Ressource für die Quantenmetrologie, bei der man extrem kleine Signale mit höchster Präzision detektieren will. Indem man misst, wie stark ein System auf eine Störung reagiert, kann man daher auf den Grad der Verschränkung im Material schließen.“ Einfach ausgedrückt: Ein stark verschränktes System reagiert dramatischer auf Störungen als eine Ansammlung unabhängiger Teilchen, sodass Forscher abschätzen können, wie viel Verschränkung vorhanden ist.

Um die Idee zu testen, erzeugten die Forscher einen Kristall aus Cer, Palladium und Silizium. Dieses Material gehört zur Klasse der seltsamen Metalle, die Physiker seit langem faszinieren, weil sie ungewöhnliche Quanteneigenschaften aufweisen, die nur teilweise verstanden sind. Am Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble schoss der Doktorand Federico Mazza Neutronen auf den Kristall und maß dessen Reaktion. „In einem normalen Material würde man erwarten, dass ein Neutron seine Energie auf ein einzelnes Teilchen überträgt“, sagt Mazza. „Aber durch die Analyse der Daten mit der Quanten-Fisher-Information fanden wir eine Reaktion, die nicht durch unabhängige Teilchen erklärt werden kann. Stattdessen deutet sie darauf hin, dass Gruppen von mindestens neun quantenverschränkten Einheiten gemeinsam handeln.“ Die Messungen liefern direkte Beweise für starke multipartite Quantenverschränkung in einem festen Kristall, der groß genug ist, um bequem in Ihre Handfläche zu passen.