Les phénomènes quantiques sont généralement le domaine de l'infiniment petit – atomes, molécules ou photons individuels qui doivent être choyés dans l'isolement. Mais si ces mêmes effets étranges pouvaient exister dans quelque chose que vous pourriez réellement tenir dans votre main ? Des chercheurs de l'Université technique de Vienne (TU Wien) ont maintenant apporté la preuve convaincante que c'est possible, en utilisant un cristal de la taille d'un centimètre fabriqué à partir d'un matériau connu sous le nom de métal étrange. Ils ont détecté un degré élevé d'intrication quantique, l'un des plus grands succès de la physique quantique, en utilisant une technique issue de la science de l'information quantique appelée information de Fisher quantique. Les résultats créent une nouvelle connexion entre l'information quantique et la physique de l'état solide, montrant que l'intrication peut être mesurée directement dans un métal étrange macroscopique.

La question de savoir si la mécanique quantique s'applique uniquement aux particules minuscules ou également aux objets plus grands est débattue depuis les premiers jours du domaine. Erwin Schrödinger a illustré de manière célèbre le mystère avec son expérience de pensée impliquant un chat qui est simultanément vivant et mort jusqu'à ce qu'on l'observe – un scénario qui, heureusement, reste théorique. Depuis lors, les scientifiques ont repoussé à plusieurs reprises les limites de la taille d'un système pouvant afficher un comportement quantique. L'équipe de TU Wien a abordé la question sous un angle différent. « Notre approche est différente », explique la professeure Silke Bühler-Paschen de l'Institut de physique de l'état solide de TU Wien. « Nous n'essayons pas de mettre le cristal dans son ensemble dans une superposition de deux états. Au lieu de cela, nous nous demandons si ses constituants sont – collectivement – dans un tel état d'intrication. » Plutôt que le chat de Schrödinger, Bühler-Paschen dit que l'expérience ressemble davantage à une fourmilière : lorsqu'elle est dérangée, la réponse vient de la colonie agissant ensemble, pas d'une fourmi individuelle. Les chercheurs voulaient déterminer si les particules à l'intérieur du cristal se comportent d'une manière similaire coordonnée.

Le cadre théorique derrière l'expérience a été développé par le physicien quantique d'Innsbruck Peter Zoller et ses collègues. Leurs travaux ont montré que l'information de Fisher quantique peut identifier l'intrication quantique même dans des systèmes complexes composés d'un nombre énorme de particules en interaction. « L'information de Fisher quantique quantifie la sensibilité avec laquelle un système quantique répond à un changement », explique Bühler-Paschen. « Pour une collection de particules indépendantes, la réponse est limitée car chaque particule contribue individuellement. Cependant, si les particules sont intriquées, l'ensemble du système peut répondre plus fortement que la somme de ses parties individuelles. Cette sensibilité accrue est précisément ce qui fait de l'intrication une ressource si précieuse pour la métrologie quantique, où l'on vise à détecter des signaux extrêmement petits avec la plus haute précision possible. En mesurant la force avec laquelle un système répond à une perturbation, on peut donc déduire le degré d'intrication présent dans le matériau. » En termes simples, un système fortement intriqué réagit de manière plus dramatique aux perturbations qu'une collection de particules indépendantes, permettant aux chercheurs d'estimer la quantité d'intrication présente.

Pour tester l'idée, les chercheurs ont créé un cristal composé de cérium, de palladium et de silicium. Ce matériau appartient à la classe des métaux étranges, qui fascinent depuis longtemps les physiciens car ils présentent des propriétés quantiques inhabituelles qui restent encore partiellement comprises. À l'Institut Laue-Langevin (ILL) de Grenoble, le doctorant Federico Mazza a tiré des neutrons sur le cristal et mesuré sa réponse. « Dans un matériau normal, on s'attendrait à ce qu'un neutron transfère son énergie à une particule individuelle », dit Mazza. « Mais en analysant les données à l'aide de l'information de Fisher quantique, nous avons trouvé une réponse qui ne peut pas être expliquée en termes de particules indépendantes. Au lieu de cela, elle indique que des groupes d'au moins neuf entités quantiques intriquées agissent collectivement. » Les mesures fournissent une preuve directe d'une forte intrication quantique multipartite à l'intérieur d'un cristal solide suffisamment grand pour tenir confortablement dans la paume de votre main.