1702
Квантові явища зазвичай пов’язують із надзвичайно малими об’єктами — окремими атомами, молекулами чи фотонами, які треба ретельно ізолювати від оточення. Але чи можуть ці дивні ефекти існувати в об’єктах, достатньо великих, щоб їх побачити й потримати? Дослідники з Віденського технічного університету (TU Wien) надали переконливі докази, що можуть. Вивчаючи кристал завбільшки сантиметр, зроблений із «дивного металу», команда виявила високий ступінь квантової заплутаності. Роботу опублікували в Nature Physics.
Заплутаність — одна з найдивовижніших рис квантової фізики. Науковці виявили її за допомогою методу з квантової теорії інформації, званого квантовою інформацією Фішера. Результати створюють новий зв’язок між квантовою інформацією та фізикою твердого тіла, показуючи, що заплутаність можна виміряти безпосередньо в макроскопічному «дивному металі».
Питання, чи стосується квантова механіка лише крихітних частинок, чи й більших об’єктів, обговорюють від зорі цієї галузі. Фізик Ервін Шредінгер славнозвісно проілюстрував загадку уявним експериментом із котом, який водночас живий і мертвий, доки за ним не спостерігають. Команда TU Wien підійшла до питання інакше. «Ми не намагаємося ввести кристал як ціле в суперпозицію двох станів, — пояснює професорка Зільке Бюлер-Пашен. — Натомість ми питаємо, чи перебувають його складові — колективно — у стані заплутаності».
Замість кота Бюлер-Пашен порівнює експеримент із мурашником: коли його потривожити, відповідь дає колонія як єдине ціле, а не окрема мураха. Дослідники хотіли з’ясувати, чи поводяться частинки всередині кристала так само злагоджено. Теоретичну основу розробив інсбруцький квантовий фізик Петер Цоллер із колегами, показавши, що квантова інформація Фішера здатна виявляти заплутаність навіть у складних системах із величезної кількості взаємодіючих частинок.
«Квантова інформація Фішера показує, наскільки чутливо квантова система реагує на зміну, — пояснює Бюлер-Пашен. — Для набору незалежних частинок відповідь обмежена, бо кожна робить свій внесок окремо. Але якщо частинки заплутані, уся система може реагувати сильніше, ніж сума окремих частин». Іншими словами, сильно заплутана система реагує на збурення драматичніше, ніж набір незалежних частинок, — і за силою цієї реакції можна оцінити ступінь заплутаності.
Щоб перевірити ідею, науковці створили кристал із церію, паладію й кремнію. Цей матеріал належить до класу «дивних металів», які давно захоплюють фізиків незвичними квантовими властивостями. У Інституті Лауе-Ланжевена в Греноблі аспірант Федеріко Мацца обстрілював кристал нейтронами й вимірював його відгук. «У звичайному матеріалі нейтрон передав би енергію окремій частинці, — розповідає він. — Але аналіз через квантову інформацію Фішера показав відгук, який неможливо пояснити незалежними частинками: щонайменше дев’ять квантово заплутаних сутностей діють колективно».
Виміри дають прямий доказ сильної багаточастинкової заплутаності всередині твердого кристала, який зручно вміщується в долоні. Дослідники прагнули краще зрозуміти, чому «дивні метали» так відрізняються від звичайних матеріалів; схожа поведінка є й у високотемпературних надпровідників. Виявлена заплутаність може пояснити, чому струм у таких матеріалах рухається з незвично низьким електричним шумом: замість того щоб діяти незалежно, частинки координують поведінку, придушуючи флуктуації. Команда сподівається, що згодом «дивні метали» стануть корисними для квантових технологій — зокрема надчутливих систем квантової метрології.
