Квантовые явления обычно — удел невообразимо малого: отдельных атомов, молекул или фотонов, которых нужно холить и лелеять в изоляции. Но что, если те же странные эффекты могут существовать в чём-то, что можно реально подержать в руке? Исследователи из TU Wien представили убедительные доказательства, что могут, используя кристалл размером с сантиметр из материала, известного как странный металл. Они обнаружили высокую степень квантовой запутанности — одного из хитов квантовой физики — с помощью техники из квантовой информатики, называемой квантовой информацией Фишера. Результаты создают новую связь между квантовой информацией и физикой твёрдого тела, показывая, что запутанность можно измерить непосредственно в макроскопическом странном металле.

Вопрос о том, применима ли квантовая механика только к крошечным частицам или также к более крупным объектам, обсуждается с первых дней этой области. Эрвин Шрёдингер знаменито проиллюстрировал загадку своим мысленным экспериментом с котом, который одновременно жив и мёртв, пока его не наблюдают — сценарий, который, к счастью, остаётся теоретическим. С тех пор учёные неоднократно расширяли границы того, насколько большая система может проявлять квантовое поведение. Команда TU Wien подошла к вопросу с другого угла. «Наш подход иной, — говорит профессор Сильке Бюлер-Пашен из Института физики твёрдого тела TU Wien. — Мы не пытаемся привести кристалл целиком в суперпозицию двух состояний. Вместо этого мы спрашиваем, находятся ли его составляющие — коллективно — в таком состоянии запутанности». Вместо кота Шрёдингера, говорит Бюлер-Пашен, эксперимент больше похож на муравейник: при возмущении реакция исходит от колонии, действующей сообща, а не от отдельного муравья. Исследователи хотели определить, ведут ли себя частицы внутри кристалла подобным скоординированным образом.

Теоретическая основа эксперимента была разработана инсбрукским квантовым физиком Петером Цоллером и его коллегами. Их работа показала, что квантовая информация Фишера может идентифицировать квантовую запутанность даже в сложных системах, состоящих из огромного числа взаимодействующих частиц. «Квантовая информация Фишера количественно определяет, насколько чувствительно квантовая система реагирует на изменение, — объясняет Бюлер-Пашен. — Для набора независимых частиц отклик ограничен, потому что каждая частица вносит вклад сама по себе. Однако, если частицы запутаны, вся система может реагировать сильнее, чем сумма её отдельных частей. Эта повышенная чувствительность и делает запутанность таким ценным ресурсом для квантовой метрологии, где стремятся обнаружить чрезвычайно малые сигналы с максимально возможной точностью. Измеряя, насколько сильно система реагирует на возмущение, можно, таким образом, оценить степень запутанности, присутствующей в материале». Проще говоря, сильно запутанная система реагирует более драматично на возмущения, чем набор независимых частиц, что позволяет исследователям оценить, сколько запутанности присутствует.

Чтобы проверить идею, исследователи создали кристалл из церия, палладия и кремния. Этот материал относится к классу странных металлов, которые давно завораживают физиков, поскольку проявляют необычные квантовые свойства, остающиеся лишь частично понятыми. В Институте Лауэ-Ланжевена (ILL) в Гренобле аспирант Федерико Мацца обстрелял кристалл нейтронами и измерил его отклик. «В обычном материале можно ожидать, что нейтрон передаст свою энергию отдельной частице, — говорит Мацца. — Но, анализируя данные с помощью квантовой информации Фишера, мы обнаружили отклик, который нельзя объяснить в терминах независимых частиц. Вместо этого он указывает на то, что группы по меньшей мере из девяти квантово-запутанных сущностей действуют коллективно». Измерения дают прямые доказательства сильной многочастичной квантовой запутанности внутри твёрдого кристалла, который достаточно велик, чтобы удобно поместиться на ладони.