Ученые обнаружили высокую степень квантовой запутанности: муравейник Шрёдингера

Фото из открытых источников

В Венском техническом университете впервые обнаружена высокая степень квантовой запутанности в кристалле странного металла размером в несколько сантиметров.

Многие квантовые эффекты можно наблюдать только при изучении небольшого числа частиц — например, отдельных атомов, молекул или фотонов, тщательно экранированных от остального мира. Но как насчет макроскопических объектов, состоящих из невообразимо большого числа частиц? Могут ли они также демонстрировать эффекты, позволяющие напрямую заглянуть в квантовый мир?

Экспериментаторы из Венского технического университета показали, что это возможно: был исследован кристалл так называемого странного металла размером в несколько сантиметров, и была обнаружена высокая степень квантовой запутанности. Это стало возможным благодаря четко определенному методу из теории квантовой информации: квантовой информации Фишера.

Он устанавливает новый мост между физикой твердого тела и квантовой физикой: квантовая запутанность может быть непосредственно количественно определена в макроскопическом материале из странного металла.

Вопрос о том, применимы ли странные утверждения квантовой теории к крупным макроскопическим объектам, существует почти столько же, сколько и сама квантовая теория. Эрвин Шрёдингер, как известно, задавался вопросом, может ли кошка быть одновременно мертвой и живой. С тех пор было проведено множество экспериментов, направленных на целенаправленное создание квантовых эффектов во всё более крупных системах.

«Наш подход отличается, — говорит профессор Сильке Бюлер-Пашен из Института физики твердого тела Венского технического университета. — Мы не пытаемся привести кристалл в целом в суперпозицию двух состояний. Вместо этого мы задаемся вопросом, находятся ли его составляющие — в совокупности — в таком состоянии. Поэтому эксперимент больше напоминает муравейник, чем кота Шрёдингера: когда его тревожат, реагирует не отдельный муравей, а вся колония в целом».

Теоретическая основа этого подхода была разработана инсбрукским квантовым физиком Петером Цоллером и его командой. Они показали, что концепция квантовой информации Фишера может быть использована для обнаружения квантовой запутанности даже в больших многочастичных системах.

«Квантовая информация Фишера количественно определяет, насколько чувствительно квантовая система реагирует на изменение», — объясняет Бюлер-Пашен. «Для совокупности независимых частиц отклик ограничен, поскольку каждая частица вносит свой вклад самостоятельно. Однако, если частицы запутаны, вся система может реагировать сильнее, чем сумма ее отдельных частей. Именно эта повышенная чувствительность делает запутанность таким ценным ресурсом для квантовой метрологии, где цель состоит в обнаружении чрезвычайно малых сигналов с максимально возможной точностью. Измеряя, насколько сильно система реагирует на возмущение, можно, следовательно, определить степень запутанности, присутствующей в материале». 

Команда Венского технического университета создала кристалл из церия, палладия и кремния — странного металла, уже известного своими весьма интригующими квантовыми свойствами, многие из которых до сих пор полностью не изучены. В Институте интегративной медицины в Гренобле аспирант Федерико Мацца бомбардировал кристалл нейтронами и измерил реакцию материала.

Один нейтрон задает вопрос — по меньшей мере девять частиц дают ответ.

«В обычном материале можно было бы ожидать, что нейтрон передаст свою энергию отдельной частице», — говорит Мацца. «Но, анализируя данные с использованием квантовой информации Фишера, мы обнаружили реакцию, которую нельзя объяснить с точки зрения независимых частиц. Вместо этого она указывает на то, что группы, состоящие как минимум из девяти квантово-запутанных сущностей, действуют коллективно». 

Это предоставляет прямые доказательства высокой многочастичной квантовой запутанности в твердом теле — макроскопическом объекте, достаточно большом, чтобы его можно было удобно держать в руке.

Научная мотивация исследования заключалась в лучшем понимании поведения кристалла, характерного для странных металлов, — поведения, которое также наблюдается в других классах материалов, таких как высокотемпературные сверхпроводники. В последние годы исследования по этой теме активизировались, и все больше необычных свойств было обнаружено. В 2025 году в результате сотрудничества Венского технического университета и Университета Райса в США было обнаружено, что электрический ток протекает через такие материалы удивительно «тихим», малошумным образом. Открытие запутанности теперь дает новое возможное объяснение этому явлению: частицы не исчезают, а координируются, чтобы подавить флуктуации тока.

«То, что мы видим здесь, — это не деталь какого-то конкретного материала, а общий физический принцип», — говорит Фахер Ассаад из Вюрцбургского университета, ведущий теоретик работы. «Сильная запутанность, по-видимому, напрямую связана с необычным поведением странных металлов».

«Результаты — это большой успех для нас», — говорит Сильке Бюлер-Пашен. «Они подтверждают, что наш необычный подход, заключающийся в использовании методов квантовой информатики для изучения физики твердого тела новых материалов, может дать принципиально новые результаты». Следующая цель уже поставлена: «Мы хотим, чтобы передача знаний между двумя областями работала и в обратном направлении. Наша цель — исследовать, могут ли странные металлы когда-нибудь найти применение в квантовых технологиях — например, в высокоточных измерениях для квантовой метрологии».