Zjawiska kwantowe to zazwyczaj domena niewyobrażalnie małych rzeczy - pojedynczych atomów, cząsteczek czy fotonów, które trzeba rozpieszczać w izolacji. Ale co, gdyby te same dziwne efekty mogły istnieć w czymś, co można trzymać w ręce? Naukowcy z TU Wien dostarczyli właśnie przekonujących dowodów, że tak, używając kryształu wielkości centymetra wykonanego z materiału zwanego dziwnym metalem. Wykryli wysoki stopień splątania kwantowego, jednego z największych hitów fizyki kwantowej, stosując technikę z dziedziny informatyki kwantowej zwaną kwantową informacją Fishera. Wyniki tworzą nowe połączenie między informacją kwantową a fizyką ciała stałego, pokazując, że splątanie można mierzyć bezpośrednio w makroskopowym dziwnym metalu.

Pytanie, czy mechanika kwantowa dotyczy tylko maleńkich cząstek, czy także większych obiektów, jest dyskutowane od początków tej dziedziny. Erwin Schrödinger słynnie zilustrował tę tajemnicę swoim eksperymentem myślowym z kotem, który jest jednocześnie żywy i martwy, dopóki nie zostanie zaobserwowany - scenariusz, który, na szczęście, pozostaje teoretyczny. Od tego czasu naukowcy wielokrotnie przesuwali granice tego, jak duży układ może wykazywać zachowania kwantowe. Zespół z TU Wien podszedł do pytania z innej strony. „Nasze podejście jest inne” - mówi prof. Silke Bühler-Paschen z Instytutu Fizyki Ciała Stałego na TU Wien. „Nie staramy się wprowadzić całego kryształu w superpozycję dwóch stanów. Zamiast tego pytamy, czy jego składniki są - zbiorowo - w stanie splątania”. Zamiast kota Schrödingera, Bühler-Paschen mówi, że eksperyment bardziej przypomina mrowisko: gdy jest naruszone, reakcja pochodzi od kolonii działającej razem, a nie od pojedynczej mrówki. Naukowcy chcieli ustalić, czy cząstki wewnątrz kryształu zachowują się w podobnie skoordynowany sposób.

Ramy teoretyczne eksperymentu opracował fizyk kwantowy z Innsbrucka, Peter Zoller, wraz ze współpracownikami. Ich praca pokazała, że kwantowa informacja Fishera może identyfikować splątanie kwantowe nawet w złożonych układach składających się z ogromnej liczby oddziałujących cząstek. „Kwantowa informacja Fishera określa, jak czuły jest układ kwantowy na zmianę” - wyjaśnia Bühler-Paschen. „Dla zbioru niezależnych cząstek odpowiedź jest ograniczona, ponieważ każda cząstka wnosi swój wkład osobno. Jeśli jednak cząstki są splątane, cały układ może zareagować silniej niż suma jego poszczególnych części. Ta zwiększona czułość jest właśnie tym, co czyni splątanie tak cennym zasobem dla metrologii kwantowej, gdzie dąży się do wykrywania niezwykle małych sygnałów z najwyższą możliwą precyzją. Mierząc, jak silnie układ reaguje na zaburzenie, można zatem wnioskować o stopniu splątania obecnego w materiale”. Mówiąc prościej, silnie splątany układ reaguje bardziej dramatycznie na zakłócenia niż zbiór niezależnych cząstek, co pozwala naukowcom oszacować, ile splątania jest obecne.

Aby przetestować pomysł, naukowcy stworzyli kryształ złożony z ceru, palladu i krzemu. Materiał ten należy do klasy dziwnych metali, które od dawna fascynują fizyków, ponieważ wykazują niezwykłe właściwości kwantowe, wciąż tylko częściowo zrozumiane. W Institut Laue-Langevin (ILL) w Grenoble doktorant Federico Mazza wystrzelił neutrony w kryształ i zmierzył jego odpowiedź. „W normalnym materiale można by oczekiwać, że neutron przekaże swoją energię pojedynczej cząstce” - mówi Mazza. „Ale analizując dane za pomocą kwantowej informacji Fishera, znaleźliśmy odpowiedź, której nie można wyjaśnić w kategoriach niezależnych cząstek. Zamiast tego wskazuje ona, że grupy co najmniej dziewięciu splątanych kwantowo bytów działają zbiorowo”. Pomiary dostarczają bezpośrednich dowodów silnego wielocząstkowego splątania kwantowego wewnątrz stałego kryształu, który jest wystarczająco duży, by wygodnie zmieścić się w dłoni.