Kwantumverschijnselen zijn meestal het domein van het onmogelijk kleine - individuele atomen, moleculen of fotonen die in isolatie gekoesterd moeten worden. Maar wat als diezelfde vreemde effecten zouden kunnen bestaan in iets dat je daadwerkelijk in je hand kunt houden? Onderzoekers van de TU Wien hebben nu overtuigend bewijs geleverd dat dat kan, met behulp van een centimeter groot kristal gemaakt van een materiaal dat bekend staat als een vreemd metaal. Ze detecteerden een hoge mate van kwantumverstrengeling, een van de grootste hits van de kwantumfysica, met behulp van een techniek uit de kwantuminformatiewetenschap genaamd kwantum Fisher-informatie. De resultaten creëren een nieuwe verbinding tussen kwantuminformatie en vastestoffysica, en tonen aan dat verstrengeling direct gemeten kan worden in een macroscopisch vreemd metaal.

De vraag of de kwantummechanica alleen van toepassing is op kleine deeltjes of ook op grotere objecten, wordt al sinds de begindagen van het vakgebied bediscussieerd. Erwin Schrödinger illustreerde het mysterie beroemd met zijn gedachte-experiment over een kat die tegelijkertijd levend en dood is totdat wordt waargenomen - een scenario dat, gelukkig, theoretisch blijft. Sindsdien hebben wetenschappers herhaaldelijk de grenzen verlegd van hoe groot een systeem kwantumgedrag kan vertonen. Het TU Wien-team benaderde de vraag vanuit een andere invalshoek. "Onze aanpak is anders," zegt prof. Silke Bühler-Paschen van het Instituut voor Vastestoffysica aan de TU Wien. "We proberen niet het kristal als geheel in een superpositie van twee toestanden te brengen. In plaats daarvan vragen we of de bestanddelen ervan - collectief - in een dergelijke toestand van verstrengeling verkeren." In plaats van Schrödingers kat, zegt Bühler-Paschen dat het experiment meer lijkt op een mierenhoop: wanneer verstoord, komt de reactie van de kolonie die samenwerkt, niet van een individuele mier. De onderzoekers wilden bepalen of de deeltjes in het kristal zich op een vergelijkbare gecoördineerde manier gedragen.

Het theoretische kader achter het experiment werd ontwikkeld door de Innsbruckse kwantumfysicus Peter Zoller en zijn collega's. Hun werk toonde aan dat kwantum Fisher-informatie kwantumverstrengeling kan identificeren, zelfs in complexe systemen die bestaan uit enorme aantallen interagerende deeltjes. "De kwantum Fisher-informatie kwantificeert hoe gevoelig een kwantumsysteem reageert op een verandering," legt Bühler-Paschen uit. "Voor een verzameling onafhankelijke deeltjes is de respons beperkt omdat elk deeltje afzonderlijk bijdraagt. Als de deeltjes echter verstrengeld zijn, kan het hele systeem sterker reageren dan de som van de afzonderlijke delen. Deze verhoogde gevoeligheid is precies wat verstrengeling zo'n waardevolle hulpbron maakt voor kwantummetrologie, waarbij men extreem kleine signalen met de hoogst mogelijke precisie wil detecteren. Door te meten hoe sterk een systeem reageert op een verstoring, kan men daarom de mate van verstrengeling in het materiaal afleiden." In eenvoudige bewoordingen: een sterk verstrengeld systeem reageert dramatischer op verstoringen dan een verzameling onafhankelijke deeltjes, waardoor onderzoekers kunnen inschatten hoeveel verstrengeling aanwezig is.

Om het idee te testen, creëerden de onderzoekers een kristal bestaande uit cerium, palladium en silicium. Dit materiaal behoort tot de klasse van vreemde metalen, die natuurkundigen al lang fascineren omdat ze ongebruikelijke kwantumeigenschappen vertonen die slechts gedeeltelijk worden begrepen. Bij het Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble vuurde promovendus Federico Mazza neutronen af op het kristal en mat de respons. "In een normaal materiaal zou men verwachten dat een neutron zijn energie overdraagt aan een individueel deeltje," zegt Mazza. "Maar door de gegevens te analyseren met behulp van de kwantum Fisher-informatie, vonden we een respons die niet kan worden verklaard in termen van onafhankelijke deeltjes. In plaats daarvan geeft het aan dat groepen van ten minste negen kwantumverstrengelde entiteiten collectief handelen." De metingen leveren direct bewijs van sterke multipartiete kwantumverstrengeling in een vast kristal dat groot genoeg is om comfortabel in de palm van je hand te passen.