Los fenómenos cuánticos suelen ser dominio de lo increíblemente pequeño: átomos individuales, moléculas o fotones que necesitan ser mimados en aislamiento. Pero, ¿y si esos mismos efectos extraños pudieran existir en algo que realmente pudieras sostener en tu mano? Investigadores de la TU Wien han proporcionado ahora evidencia convincente de que sí pueden, utilizando un cristal del tamaño de un centímetro hecho de un material conocido como metal extraño. Detectaron un alto grado de entrelazamiento cuántico, uno de los grandes éxitos de la física cuántica, utilizando una técnica de la ciencia de la información cuántica llamada información cuántica de Fisher. Los resultados crean una nueva conexión entre la información cuántica y la física del estado sólido, demostrando que el entrelazamiento se puede medir directamente en un metal extraño macroscópico.

La cuestión de si la mecánica cuántica se aplica solo a partículas diminutas o también a objetos más grandes se ha debatido desde los primeros días del campo. Erwin Schrödinger ilustró famosamente el misterio con su experimento mental que involucraba a un gato que está simultáneamente vivo y muerto hasta que se observa, un escenario que, misericordiosamente, sigue siendo teórico. Desde entonces, los científicos han empujado repetidamente los límites de qué tan grande puede ser un sistema para mostrar comportamiento cuántico. El equipo de la TU Wien abordó la pregunta desde un ángulo diferente. "Nuestro enfoque es diferente", dice la Prof. Silke Bühler-Paschen del Instituto de Física del Estado Sólido de la TU Wien. "No intentamos llevar el cristal como un todo a una superposición de dos estados. En cambio, preguntamos si sus constituyentes están, colectivamente, en tal estado de entrelazamiento". En lugar del gato de Schrödinger, Bühler-Paschen dice que el experimento se parece más a un hormiguero: cuando se perturba, la respuesta proviene de la colonia actuando junta, no de ninguna hormiga individual. Los investigadores querían determinar si las partículas dentro del cristal se comportan de manera similarmente coordinada.

El marco teórico detrás del experimento fue desarrollado por el físico cuántico de Innsbruck Peter Zoller y sus colegas. Su trabajo mostró que la información cuántica de Fisher puede identificar el entrelazamiento cuántico incluso en sistemas complejos compuestos por un número enorme de partículas interactuantes. "La información cuántica de Fisher cuantifica qué tan sensiblemente responde un sistema cuántico a un cambio", explica Bühler-Paschen. "Para una colección de partículas independientes, la respuesta es limitada porque cada partícula contribuye por sí sola. Sin embargo, si las partículas están entrelazadas, todo el sistema puede responder más fuertemente que la suma de sus partes individuales. Esta sensibilidad mejorada es precisamente lo que hace que el entrelazamiento sea un recurso tan valioso para la metrología cuántica, donde se busca detectar señales extremadamente pequeñas con la mayor precisión posible. Midiendo qué tan fuertemente responde un sistema a una perturbación, se puede inferir el grado de entrelazamiento presente en el material". En términos simples, un sistema fuertemente entrelazado reacciona más dramáticamente a las perturbaciones que una colección de partículas independientes, permitiendo a los investigadores estimar cuánto entrelazamiento está presente.

Para probar la idea, los investigadores crearon un cristal compuesto de cerio, paladio y silicio. Este material pertenece a la clase de metales extraños, que han fascinado durante mucho tiempo a los físicos porque muestran propiedades cuánticas inusuales que aún se comprenden solo parcialmente. En el Institut Laue-Langevin (ILL) de Grenoble, el estudiante de doctorado Federico Mazza disparó neutrones contra el cristal y midió su respuesta. "En un material normal, uno esperaría que un neutrón transfiriera su energía a una partícula individual", dice Mazza. "Pero al analizar los datos usando la información cuántica de Fisher, encontramos una respuesta que no puede explicarse en términos de partículas independientes. En cambio, indica que grupos de al menos nueve entidades cuánticamente entrelazadas actúan colectivamente". Las mediciones proporcionan evidencia directa de un fuerte entrelazamiento cuántico multipartito dentro de un cristal sólido que es lo suficientemente grande como para caber cómodamente en la palma de tu mano.