Квантовая запутанность в сантиметровом кристалле: ученые впервые обнаружили макроскопический квантовый эффект

Международная группа исследователей обнаружила высокую степень квантовой запутанности в сантиметровом кристалле странного металла CePd₃Si₂. Результаты работы, опубликованные в журнале Nature Physics, показывают, что квантовые эффекты могут проявляться на макроскопическом масштабе, который можно увидеть невооруженным глазом.

Классический мыслительный эксперимент «кот Шредингера» подчеркивает несовместимость квантовой физики и макроскопических объектов. Одиночные частицы и тела, состоящие из миллиардов атомов, подчиняются разным законам, и кот не может быть одновременно жив и мертв. Однако ученые, стремясь найти теорию всего — единую систему уравнений для описания всех явлений в реальности, — ищут способы связать квантовую физику с остальной и создать квантовые эффекты в системах, состоящих из множества частиц.

Ведущий автор исследования профессор Зильке Бюлер-Пашен из Венского технического университета сравнила эксперимент с муравейником: «Мы не пытались привести кристалл как целое в суперпозицию двух состояний. Вместо этого мы спросили: находятся ли его составляющие — коллективно — в таком состоянии запутанности? Эксперимент напоминает не столько кота Шредингера, сколько муравейник: когда его потревожить, реагирует не один муравей, а вся колония как единое целое».

Теоретическую основу для этого подхода разработали квантовый физик Петер Цоллер из Университета Инсбрука и его команда. Они показали, что концепцию квантовой информации Фишера можно использовать для обнаружения квантовой запутанности даже в больших системах, состоящих из множества частиц. Квантовая информация Фишера количественно определяет чувствительность квантовой системы к изменению. Для набора независимых частиц отклик ограничен: каждая частица реагирует сама по себе. Однако, если частицы запутаны, вся система может реагировать сильнее, чем сумма ее отдельных частей. Эта повышенная чувствительность делает запутанность ценной для квантовой метрологии, где нужно регистрировать слабые сигналы с максимальной точностью.

Исследователи вырастили кристалл из церия, палладия и кремния — это «странный металл» с не до конца понятыми свойствами. Его электроны сильно запутаны и не подчиняются стандартным моделям поведения в металлах. Кристалл бомбардировали нейтронами и измеряли отклик материала. Аспирант Федерико Мацца пояснил: «В обычном материале нейтрон передает энергию одной отдельной частице. Но при анализе данных с помощью квантовой информации Фишера мы выявили отклик, который невозможно объяснить в терминах независимых частиц. Вместо этого он указывает на то, что группы как минимум из девяти квантово-запутанных сущностей действуют коллективно».

Проведенные исследования дали прямое количественное доказательство высокой квантовой запутанности между многими частицами в твердом теле — макроскопическом объекте, достаточно большом, чтобы его можно было держать в руке. Это первое прямое количественное определение запутанности в странном металле. Авторы работы установили новый мост между физикой твердого тела и квантовой физикой. В будущем ученые планируют выяснить, могут ли странные металлы когда-нибудь найти применение в квантовых технологиях — например, для сверхточных измерений в квантовой метрологии.