В странном металле впервые обнаружена высокая степень квантовой запутанности
Многие квантовые эффекты наблюдаются лишь при работе с малым числом частиц — например, с отдельными атомами, молекулами или фотонами, тщательно изолированными от внешнего мира. Физики сумели запутать сантиметровый кусок странного металла, показав, что и на макроскопические объекты (хотя и необычные) распространяется квантовое волшебство.
Эксперименты проводились в Институте Лауэ-Ланжевена в Гренобле (ILL), с их подробностями можно ознакомиться на страницах Nature Physics. Основным инструментом в определении глубины запутанности стал хорошо отработанный метод квантовой теории информации — квантовая информация Фишера.
Коты или муравьи
Вопрос о том, применимы ли парадоксальные положения квантовой теории к большим макроскопическим объектам, стар почти как сама квантовая механика. Эрвин Шредингер, как известно, задавался вопросом, может ли кот одновременно быть и живым, и мертвым. С тех пор поставлено множество экспериментов, в которых исследователи пытались порождать квантовые эффекты во все более крупных системах.
«Наш подход иной. Мы не пытаемся перевести кристалл как целое в суперпозицию двух состояний. Вместо этого мы задаемся вопросом: находятся ли его составные части — все вместе — в состоянии запутанности?» — говорит профессор Зильке Бюлер-Пашен из Института физики твердого тела Венского технического университета (TU Wien).
Поэтому подопытный объект — скорее не кот, а муравейник: при возмущении реагирует не отдельный муравей, а вся колония как единое целое.
Квантовая информация Фишера: запутанность усиливает чувствительность
Теоретическую основу этого подхода разработала группа инсбрукского квантового физика Петера Цоллера. Они показали, что концепцию квантовой информации Фишера можно использовать для детектирования запутанности даже в больших системах из множества частиц.
«Квантовая информация Фишера количественно характеризует, насколько чувствительна квантовая система к внешнему воздействию. Для набора независимых частиц отклик ограничен, поскольку каждая частица вносит вклад сама по себе. Но если частицы запутаны, вся система может реагировать сильнее, чем простая сумма ее отдельных частей», — объясняет Бюлер-Пашен.
Именно эта усиленная чувствительность и делает запутанность столь ценным ресурсом для квантовой метрологии, где требуется регистрировать предельно слабые сигналы с наивысшей точностью. Таким образом, измеряя силу отклика системы на возмущение, можно судить о степени запутанности, присутствующей в материале.
Один нейтрон задает вопрос — девять частиц отвечают
В TU Wien вырастили кристалл из церия, палладия и кремния — это странный металл, который уже давно известен своими необычными квантовыми свойствами, многие из которых до сих пор полностью не поняты. В ILL аспирант Федерико Мацца бомбардировал этот кристалл нейтронами и измерял, как материал реагирует на облучение.
«В обычном материале можно было бы ожидать, что нейтрон передаст свою энергию одной-единственной частице. Однако при анализе данных с помощью квантовой информации Фишера мы получили отклик, который невозможно объяснить с точки зрения независимых частиц. Напротив, он указывает на то, что группы как минимум из девяти квантово-запутанных сущностей действуют скоординированно, как единое целое», — говорит экспериментатор.
Исследования странных металлов
Основная задача, которую ставили перед собой авторы, заключалась в изучении свойств странного металла, которые присущи и другим материалам, например высокотемпературным сверхпроводникам. В последние годы исследования в этой области активизировались и приносят все больше открытий.
В 2025 году ученые обнаружили, что электрический ток в странных металлах течет на удивление «тихо», с крайне низким уровнем шумов. Открытие запутанности теперь дает новое возможное объяснение этому феномену: частицы не исчезают, а скоординированно подавляют флуктуации тока.
«То, что мы видим здесь, — это не частная деталь конкретного материала, а общий физический принцип. Сильная запутанность, по-видимому, напрямую связана с необычным поведением странных металлов», — подчеркивает профессор Факхер Ассаад из Вюрцбургского университета, ведущий теоретик работы.
Следующей своей целью физики поставили найти странным металлам применение в квантовых технологиях — например, в сверхточных измерениях для квантовой метрологии.
