Обычно квантово-запутанными оказываются тщательно изолированные от внешних воздействий пары фотонов или атомов. Но высокотехнологичные материалы прокладывают для запутанности путь в мир макрообъектов.
Знаменитый мыслительный эксперимент «кот Шредингера» во многом обращает внимание на то, насколько термины из квантовой физики не подходят для больших объектов. Кот не может быть одновременно жив и мертв, а у электрона спин может быть одновременно направлен в две разные стороны. Одиночные частицы и тела, состоящие из миллиардов атомов, подчиняются разным физическим законам.
Однако ученые ищут теорию всего — конечное количество уравнений, позволяющих описать все происходящие в реальности явления. Поэтому пытаются связать квантовую физику с остальной и создавать квантовые эффекты в постоянно увеличивающихся системах.
Международная команда исследователей показала, что квантовая запутанность возможна на макроскопическом масштабе. Высокую степень квантовой запутанности обнаружили в сантиметровом кристалле странного металла CePd₃Si₂. Это стало возможным благодаря методу из квантовой теории информации — квантовой информации Фишера. Статья опубликована в журнале Nature Physics.
«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», — рассказала ведущий автор исследования профессор Зильке Бюлер-Пашен (Silke Bühler-Paschen).
Теоретическую основу для этого подхода разработали квантовый физик Петер Цоллер (Peter Zoller) из Университета Инсбрука (Австрия) 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, насколько чувствительно квантовая система реагирует на изменение. 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. Измеряя, насколько сильно система реагирует на возмущение, можно сделать вывод о степени запутанности образца.
Исследователи вырастили кристалл из церия, палладия и кремния. Это «странный металл» с не до конца понятными ученым свойствами. Его электроны сильно запутаны и не подчиняются стандартным моделям поведения в металлах. Кристалл этого металла бомбардировали нейтронами и измеряли отклик материала.
«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», — раскрыл детали эксперимента аспирант Федерико Мацца (Federico Mazza).
Проведенные исследования дали 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 этой научной 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.