Os fenômenos quânticos geralmente são domínio do incrivelmente pequeno — átomos individuais, moléculas ou fótons que precisam ser mimados em isolamento. Mas e se esses mesmos efeitos estranhos pudessem existir em algo que você pudesse realmente segurar na mão? Pesquisadores da TU Wien agora forneceram evidências convincentes de que sim, usando um cristal do tamanho de um centímetro feito de um material conhecido como metal estranho. Eles detectaram um alto grau de emaranhamento quântico, um dos maiores sucessos da física quântica, usando uma técnica da ciência da informação quântica chamada informação quântica de Fisher. Os resultados criam uma nova conexão entre informação quântica e física do estado sólido, mostrando que o emaranhamento pode ser medido diretamente em um metal estranho macroscópico.

A questão de se a mecânica quântica se aplica apenas a partículas minúsculas ou também a objetos maiores tem sido debatida desde os primórdios da área. Erwin Schrödinger famosamente ilustrou o mistério com seu experimento mental envolvendo um gato que está simultaneamente vivo e morto até ser observado — um cenário que, felizmente, permanece teórico. Desde então, os cientistas têm repetidamente empurrado os limites de quão grande um sistema pode exibir comportamento quântico. A equipe da TU Wien abordou a questão de um ângulo diferente. “Nossa abordagem é diferente”, diz a Prof.ª Silke Bühler-Paschen do Instituto de Física do Estado Sólido da TU Wien. “Não tentamos trazer o cristal como um todo para uma superposição de dois estados. Em vez disso, perguntamos se seus constituintes estão — coletivamente — em tal estado de emaranhamento.” Em vez do gato de Schrödinger, Bühler-Paschen diz que o experimento é mais como um formigueiro: quando perturbado, a resposta vem da colônia agindo em conjunto, não de qualquer formiga individual. Os pesquisadores queriam determinar se as partículas dentro do cristal se comportam de maneira igualmente coordenada.

O arcabouço teórico por trás do experimento foi desenvolvido pelo físico quântico de Innsbruck Peter Zoller e seus colegas. Seu trabalho mostrou que a informação quântica de Fisher pode identificar emaranhamento quântico mesmo em sistemas complexos compostos por um número enorme de partículas interagentes. “A informação quântica de Fisher quantifica quão sensivelmente um sistema quântico responde a uma mudança”, explica Bühler-Paschen. “Para uma coleção de partículas independentes, a resposta é limitada porque cada partícula contribui por conta própria. No entanto, se as partículas estão emaranhadas, todo o sistema pode responder mais fortemente do que a soma de suas partes individuais. Essa sensibilidade aprimorada é precisamente o que torna o emaranhamento um recurso tão valioso para a metrologia quântica, onde se visa detectar sinais extremamente pequenos com a maior precisão possível. Medindo quão fortemente um sistema responde a uma perturbação, pode-se, portanto, inferir o grau de emaranhamento presente no material.” Em termos simples, um sistema fortemente emaranhado reage mais dramaticamente a distúrbios do que uma coleção de partículas independentes, permitindo que os pesquisadores estimem quanto emaranhamento está presente.

Para testar a ideia, os pesquisadores criaram um cristal composto de cério, paládio e silício. Este material pertence à classe dos metais estranhos, que há muito fascinam os físicos porque exibem propriedades quânticas incomuns que permanecem apenas parcialmente compreendidas. No Institut Laue-Langevin (ILL) em Grenoble, o estudante de doutorado Federico Mazza disparou nêutrons contra o cristal e mediu sua resposta. “Em um material normal, esperar-se-ia que um nêutron transferisse sua energia para uma partícula individual”, diz Mazza. “Mas analisando os dados usando a informação quântica de Fisher, encontramos uma resposta que não pode ser explicada em termos de partículas independentes. Em vez disso, indica que grupos de pelo menos nove entidades quânticas emaranhadas agem coletivamente.” As medições fornecem evidência direta de forte emaranhamento quântico multipartido dentro de um cristal sólido grande o suficiente para caber confortavelmente na palma da sua mão.