Πειραματιστές στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο της Βιέννης (TU Wien) πέτυχαν ένα σημαντικό ορόσημο, αποδεικνύοντας ότι τα κβαντικά φαινόμενα δεν περιορίζονται μόνο σε μεμονωμένα σωματίδια, αλλά μπορούν να εκδηλωθούν και σε μακροσκοπικά αντικείμενα.
Οι ερευνητές εξέτασαν έναν κρύσταλλο εκατοστιαίου μεγέθους από ένα λεγόμενο «παράξενο μέταλλο» και ανίχνευσαν έναν υψηλό βαθμό κβαντικής διεμπλοκής, χρησιμοποιώντας μια σαφώς καθορισμένη μέθοδο από τη θεωρία κβαντικής πληροφορίας: την κβαντική πληροφορία Fisher (quantum Fisher information).
Η ανακάλυψη αυτή γεφυρώνει τη φυσική στερεάς κατάστασης με την κβαντική φυσική, καθώς επιτρέπει την άμεση ποσοτικοποίηση της κβαντικής διεμπλοκής μέσα σε ένα μακροσκοπικό υλικό.
Συλλογική διεμπλοκή αντί για υπέρθεση
Η προσπάθεια ανάδειξης κβαντικών φαινομένων σε μεγάλα συστήματα δεν είναι καινούργια, με πιο γνωστό το ιστορικό παράδειγμα της γάτας του Σρέντινγκερ. Ωστόσο, η προσέγγιση της επιστημονικής ομάδας του TU Wien ήταν διαφορετική. Αντί να προσπαθήσουν να θέσουν τον κρύσταλλο ως σύνολο σε μια υπέρθεση δύο καταστάσεων, εξέτασαν αν τα συστατικά του μέρη βρίσκονται -συλλογικά- σε μια κατάσταση διεμπλοκής.
Η διαδικασία αυτή μοιάζει περισσότερο με μια μυρμηγκοφωλιά παρά με τον γάτο του Σρέντινγκερ: όταν διαταράσσεται, δεν αντιδρά ένα μεμονωμένο μυρμήγκι, αλλά ολόκληρη η αποικία ως συλλογικό σώμα.
Η κβαντική πληροφορία Fisher ενισχύει την ευαισθησία
Η θεωρητική βάση αναπτύχθηκε από την κβαντική ομάδα του Πανεπιστημίου του Ίνσμπρουκ, η οποία έδειξε ότι η κβαντική πληροφορία Fisher μπορεί να ανιχνεύσει τη διεμπλοκή σε μεγάλα συστήματα πολλών σωμάτων.
Η κβαντική πληροφορία Fisher ποσοτικοποιεί το πόσο ευαίσθητα ανταποκρίνεται ένα κβαντικό σύστημα σε μια μεταβολή. Σε μια συλλογή ανεξάρτητων σωματιδίων, η απόκριση είναι περιορισμένη επειδή κάθε σωματίδιο συνεισφέρει μόνο του. Αν όμως τα σωματίδια είναι συνδεδεμένα μέσω διεμπλοκής, ολόκληρο το σύστημα αντιδρά πολύ πιο ισχυρά από το άθροισμα των μεμονωμένων μερών του. Αυτή η ενισχυμένη ευαισθησία καθιστά τη διεμπλοκή πολύτιμο πόρο για την κβαντική μετρολογία, όπου η μέτρηση της ισχύος της απόκρισης ενός υλικού σε μια διαταραχή αποκαλύπτει τον βαθμό διεμπλοκής του.
Για το πείραμα, η ομάδα παρήγαγε έναν κρύσταλλο από δημήτριο, παλλάδιο και πυρίτιο -ένα παράξενο μέταλλο με ιδιαίτερες κβαντικές ιδιότητες. Στις εγκαταστάσεις του ILL στη Γκρενόμπλ, οι ερευνητές βομβάρδισαν τον κρύσταλλο με νετρόνια και μέτρησαν την αντίδραση του υλικού.
Ένα νετρόνιο ρωτάει, τουλάχιστον εννέα σωματίδια απαντούν
Σε ένα κανονικό υλικό, το νετρόνιο θα μετέφερε την ενέργειά του σε ένα μεμονωμένο σωματίδιο. Ωστόσο, η ανάλυση των δεδομένων έδειξε μια απόκριση που δεν μπορεί να εξηγηθεί με όρους ανεξάρτητων σωματιδίων. Αντίθετα, υποδεικνύει ότι ομάδες τουλάχιστον εννέα κβαντικά διαπλεκόμενων οντοτήτων δρουν συλλογικά. Αυτό αποτελεί άμεση απόδειξη υψηλής πολυμερούς κβαντικής διεμπλοκής σε ένα στερεό σώμα, αρκετά μεγάλο ώστε να το κρατήσει κανείς στο χέρι του.
Η μελέτη αυτή, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature Physics, βοηθά στην καλύτερη κατανόηση της συμπεριφοράς των παράξενων μετάλλων, η οποία παρατηρείται και σε άλλες κατηγορίες υλικών, όπως οι υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας. Το 2025 είχε διαπιστωθεί ότι το ηλεκτρικό ρεύμα ρέει μέσα από αυτά τα υλικά με έναν εντυπωσιακά «ήσυχο» τρόπο, χωρίς θόρυβο. Η ανακάλυψη της διεμπλοκής προσφέρει μια νέα εξήγηση: τα σωματίδια συντονίζονται μεταξύ τους για να καταστείλουν τις διακυμάνσεις του ρεύματος.
Η ισχυρή διεμπλοκή φαίνεται να συνδέεται άμεσα με την ασυνήθιστη συμπεριφορά των παράξενων μετάλλων. Επόμενος στόχος των ερευνητών είναι να εξετάσουν αν αυτά τα υλικά μπορούν να βρουν εφαρμογή στις κβαντικές τεχνολογίες, όπως σε μετρήσεις εξαιρετικά υψηλής ακρίβειας για την κβαντική μετρολογία.
