양자 현상은 대개 터무니없이 작은 것들, 즉 개별 원자, 분자, 광자처럼 철저히 격리되어야 하는 존재들의 전유물이다. 하지만 그런 이상한 효과가 실제로 손에 쥘 수 있는 물체에서도 존재할 수 있다면? 빈 공과대학(TU Wien) 연구진이 이제 그 가능성에 대한 설득력 있는 증거를 제시했다. 그들은 '이상한 금속(strange metal)'으로 알려진 물질로 만든 센티미터 크기의 결정을 사용했다. 양자 정보 과학의 기법인 양자 피셔 정보(quantum Fisher information)를 이용해 양자 물리학의 대표적인 현상인 높은 수준의 양자 얽힘을 감지한 것이다. 이 결과는 양자 정보와 고체 물리학 사이에 새로운 연결 고리를 만들어, 얽힘이 거시적인 이상한 금속에서 직접 측정될 수 있음을 보여준다.

양자 역학이 오직 아주 작은 입자에만 적용되는지, 아니면 더 큰 물체에도 적용되는지에 대한 논쟁은 이 분야 초기부터 있어 왔다. 에르빈 슈뢰딩거는 유명한 사고 실험에서 동시에 살아 있으면서 죽은 고양이를 상상했는데, 이 시나리오는 다행히도 이론에만 머물러 있다. 그 이후로 과학자들은 양자 행동을 보일 수 있는 시스템의 크기 한계를 계속해서 넓혀 왔다. TU Wien 팀은 다른 각도에서 이 문제에 접근했다. TU Wien 고체 물리학 연구소의 질케 뷸러-파셴(Silke Bühler-Paschen) 교수는 "우리의 접근 방식은 다릅니다. 우리는 결정 전체를 두 상태의 중첩으로 만들려고 하지 않습니다. 대신, 그 구성 요소들이 집합적으로 얽힌 상태에 있는지 묻는 것입니다."라고 말한다. 뷸러-파셴에 따르면, 이 실험은 슈뢰딩거의 고양이보다는 개미집에 더 가깝다. 방해를 받으면, 개별 개미가 아닌 군집 전체가 함께 반응한다. 연구진은 결정 내부의 입자들이 비슷하게 협력된 방식으로 행동하는지 확인하고자 했다.

이 실험의 이론적 틀은 인스브루크의 양자 물리학자 페터 졸러(Peter Zoller)와 그의 동료들이 개발했다. 그들의 연구는 양자 피셔 정보가 엄청난 수의 상호작용하는 입자로 구성된 복잡한 시스템에서도 양자 얽힘을 식별할 수 있음을 보여주었다. 뷸러-파셴은 "양자 피셔 정보는 양자 시스템이 변화에 얼마나 민감하게 반응하는지를 정량화합니다. 독립적인 입자들의 집합의 경우, 각 입자가 개별적으로 기여하기 때문에 반응이 제한됩니다. 그러나 입자들이 얽혀 있으면, 전체 시스템이 개별 부분의 합보다 더 강하게 반응할 수 있습니다. 이 향상된 민감성은 바로 얽힘을 양자 계측학에서 매우 귀중한 자원으로 만드는 이유이며, 여기서는 가능한 최고 정밀도로 극도로 작은 신호를 감지하는 것을 목표로 합니다. 시스템이 교란에 얼마나 강하게 반응하는지 측정함으로써, 물질에 존재하는 얽힘의 정도를 추론할 수 있습니다."라고 설명한다. 간단히 말해, 강하게 얽힌 시스템은 독립적인 입자들의 집합보다 교란에 더 극적으로 반응하며, 이를 통해 연구자들은 얼마나 많은 얽힘이 존재하는지 추정할 수 있다.

이 아이디어를 시험하기 위해 연구진은 세륨, 팔라듐, 규소로 구성된 결정을 만들었다. 이 물질은 이상한 금속(strange metals) 클래스에 속하며, 물리학자들은 오랫동안 이 물질이 보이는 특이한 양자 특성에 매료되어 왔지만 아직 부분적으로만 이해되고 있다. 그르노블의 라우에-랑주뱅 연구소(ILL)에서 박사 과정생 페데리코 마차(Federico Mazza)가 결정에 중성자를 쏘고 그 반응을 측정했다. 마차는 "일반적인 물질에서는 중성자가 에너지를 개별 입자에 전달할 것으로 예상됩니다. 그러나 양자 피셔 정보를 사용하여 데이터를 분석한 결과, 독립적인 입자로는 설명할 수 없는 반응을 발견했습니다. 대신, 이는 적어도 9개의 양자 얽힌 개체가 집단적으로 행동하고 있음을 나타냅니다."라고 말한다. 이 측정은 손바닥에 편안히 들어갈 만큼 큰 고체 결정 내부에 강한 다자간 양자 얽힘이 존재한다는 직접적인 증거를 제공한다.