I fenomeni quantistici sono di solito il regno dell'incredibilmente piccolo: singoli atomi, molecole o fotoni che devono essere coccolati in isolamento. Ma se quegli stessi strani effetti potessero esistere in qualcosa che puoi effettivamente tenere in mano? I ricercatori della TU Wien hanno ora fornito prove convincenti che è possibile, usando un cristallo delle dimensioni di un centimetro fatto di un materiale noto come metallo strano. Hanno rilevato un alto grado di entanglement quantistico, uno dei più grandi successi della fisica quantistica, usando una tecnica della scienza dell'informazione quantistica chiamata informazione quantistica di Fisher. I risultati creano una nuova connessione tra informazione quantistica e fisica dello stato solido, mostrando che l'entanglement può essere misurato direttamente in un metallo strano macroscopico.

La questione se la meccanica quantistica si applichi solo a particelle minuscole o anche a oggetti più grandi è stata dibattuta fin dagli albori del campo. Erwin Schrödinger illustrò famosamente il mistero con il suo esperimento mentale che coinvolge un gatto che è contemporaneamente vivo e morto fino a quando non viene osservato - uno scenario che, per fortuna, rimane teorico. Da allora, gli scienziati hanno ripetutamente spinto i limiti di quanto grande possa essere un sistema per mostrare comportamento quantistico. Il team della TU Wien ha affrontato la domanda da un'angolazione diversa. "Il nostro approccio è diverso", dice la Prof.ssa Silke Bühler-Paschen dell'Istituto di Fisica dello Stato Solido della TU Wien. "Non cerchiamo di portare l'intero cristallo in una sovrapposizione di due stati. Invece, ci chiediamo se i suoi costituenti siano - collettivamente - in un tale stato di entanglement." Piuttosto che il gatto di Schrödinger, Bühler-Paschen dice che l'esperimento è più simile a un formicaio: quando disturbato, la risposta viene dalla colonia che agisce insieme, non da una singola formica. I ricercatori volevano determinare se le particelle all'interno del cristallo si comportano in modo altrettanto coordinato.

Il quadro teorico dietro l'esperimento è stato sviluppato dal fisico quantistico di Innsbruck Peter Zoller e dai suoi colleghi. Il loro lavoro ha mostrato che l'informazione quantistica di Fisher può identificare l'entanglement quantistico anche in sistemi complessi composti da un numero enorme di particelle interagenti. "L'informazione quantistica di Fisher quantifica quanto sensibilmente un sistema quantistico risponde a un cambiamento", spiega Bühler-Paschen. "Per un insieme di particelle indipendenti, la risposta è limitata perché ogni particella contribuisce da sola. Tuttavia, se le particelle sono entangled, l'intero sistema può rispondere più fortemente della somma delle sue singole parti. Questa sensibilità migliorata è precisamente ciò che rende l'entanglement una risorsa così preziosa per la metrologia quantistica, dove si mira a rilevare segnali estremamente piccoli con la massima precisione possibile. Misurando quanto fortemente un sistema risponde a una perturbazione, si può quindi dedurre il grado di entanglement presente nel materiale." In termini semplici, un sistema fortemente entangled reagisce più drammaticamente ai disturbi di un insieme di particelle indipendenti, permettendo ai ricercatori di stimare quanto entanglement è presente.

Per testare l'idea, i ricercatori hanno creato un cristallo composto da cerio, palladio e silicio. Questo materiale appartiene alla classe dei metalli strani, che da tempo affascinano i fisici perché mostrano proprietà quantistiche insolite che rimangono solo parzialmente comprese. All'Institut Laue-Langevin (ILL) di Grenoble, il dottorando Federico Mazza ha sparato neutroni contro il cristallo e misurato la sua risposta. "In un materiale normale, ci si aspetterebbe che un neutrone trasferisca la sua energia a una singola particella", dice Mazza. "Ma analizzando i dati usando l'informazione quantistica di Fisher, abbiamo trovato una risposta che non può essere spiegata in termini di particelle indipendenti. Invece, indica che gruppi di almeno nove entità entangled quantisticamente agiscono collettivamente." Le misurazioni forniscono prove dirette di un forte entanglement quantistico multipartito all'interno di un cristallo solido abbastanza grande da stare comodamente nel palmo della tua mano.