量子現象は通常、極めて小さな世界の話だ。単一の原子、分子、光子が、隔離されて大事に育てられる必要がある。しかし、もし同じ奇妙な効果が、実際に手に持てるようなものに存在するとしたら？ウィーン工科大学の研究者たちは今、それが可能であることを示す説得力のある証拠を提示した。彼らは「ストレンジメタル」として知られる材料でできたセンチメートルサイズの結晶を用いて、量子物理学の最大のヒット曲の一つである量子もつれを高い度合いで検出した。量子情報科学の手法である量子フィッシャー情報を用いて、巨視的なストレンジメタル内で直接もつれを測定できることを示したのだ。

量子力学が小さな粒子にのみ適用されるのか、それとも大きな物体にも適用されるのかという問題は、この分野の初期から議論されてきた。エルヴィン・シュレーディンガーは、観測されるまで生きても死んでもいる猫という思考実験でその謎を有名にしたが、ありがたいことにそれは理論上の話だ。それ以来、科学者たちは量子挙動を示すシステムのサイズの限界を押し広げてきた。ウィーン工科大学のチームは別の角度からこの問題に取り組んだ。「我々のアプローチは異なります」と、同大学固体物理学研究所のジルケ・ビューラー＝パッシェン教授は言う。「結晶全体を二つの状態の重ね合わせにしようとはしません。代わりに、その構成要素が集合的にもつれ状態にあるかどうかを問うのです。」シュレーディンガーの猫というよりは、蟻塚に似ているとビューラー＝パッシェンは言う。撹乱されると、個々の蟻ではなく、コロニー全体が協調して反応するのだ。研究者たちは、結晶内部の粒子が同様に協調した振る舞いをするかどうかを確かめたかった。

実験の理論的枠組みは、インスブルックの量子物理学者ペーター・ツォラーとその同僚によって開発された。彼らの研究は、量子フィッシャー情報が、膨大な数の相互作用する粒子からなる複雑なシステムでも量子もつれを識別できることを示した。「量子フィッシャー情報は、量子システムが変化にどれだけ敏感に応答するかを定量化します」とビューラー＝パッシェンは説明する。「独立した粒子の集まりでは、各粒子が個別に寄与するため応答は限られます。しかし、粒子がもつれている場合、システム全体が個々の部分の和よりも強く応答できます。この感度の向上こそが、もつれを量子計測学において貴重な資源にしている理由であり、極めて小さな信号を最高の精度で検出することを目指します。システムが摂動にどれだけ強く応答するかを測定することで、材料中に存在するもつれの度合いを推定できるのです。」簡単に言えば、強くもつれたシステムは、独立した粒子の集まりよりも撹乱に対して劇的に反応するため、研究者はもつれの量を推定できる。

このアイデアを検証するため、研究者たちはセリウム、パラジウム、シリコンからなる結晶を作成した。この材料はストレンジメタルのクラスに属し、長い間物理学者を魅了してきた。なぜなら、まだ部分的にしか理解されていない異常な量子特性を示すからだ。グルノーブルのラウエ・ランジュバン研究所（ILL）で、博士課程の学生フェデリコ・マッツァが結晶に中性子を照射し、その応答を測定した。「通常の材料では、中性子が個々の粒子にエネルギーを移すと予想されます」とマッツァは言う。「しかし、量子フィッシャー情報を用いてデータを分析したところ、独立した粒子では説明できない応答が見つかりました。代わりに、少なくとも9つの量子もつれ実体のグループが集合的に作用していることを示しています。」この測定は、手のひらにすっぽり収まるほど大きな固体結晶内部に、強い多粒子量子もつれが存在する直接的な証拠を提供する。