Квантова заплутаність вперше виявлена у кристалі в долоні

01 липня 2026 р. 21:42

01 липня 2026 р. 21:42

Уявіть собі кристал розміром із цукерку, який можна спокійно тримати в руці, але всередині він поводиться як єдиний квантовий організм. Саме таку поведінку виявили фізики з TU Wien: у сантиметровому кристалі так званого дивного металу вони зафіксували сильну квантову заплутаність, тобто суто квантовий ефект, який зазвичай шукають у поодиноких атомах чи фотонах.

Що відомо коротко

• У TU Wien дослідили сантиметровий кристал дивного металу з церію, паладію та кремнію і знайшли в ньому сильну квантову заплутаність.
• Для виявлення заплутаності використали інструмент з теорії квантової інформації — квантову фішерівську інформацію .
• Аналіз показав, що на збурення одного нейтрона реагують колективно щонайменше дев’ять квантово заплутаних сутностей .
• Це дає прямий доказ багаточастинкової заплутаності в твердому тілі макроскопічного розміру , а не лише в мікроскопічних системах.
• Результати пов’язують дивну металеву поведінку з сильною заплутаністю і відкривають шлях до застосувань у квантовій метрології .

Як великий кристал поводиться як «мурашник» з квантових частинок

Квантова механіка прославилася парадоксами на кшталт кота Шредінгера, який одночасно і живий, і мертвий. Але зазвичай такі ефекти вдається побачити лише в дуже малих, добре ізольованих системах — окремих атомах, молекулах чи фотонах. Для великих об’єктів з мільярдами частинок вважалося, що квантова «дивина» швидко зникає.

Команда під керівництвом професорки Сілке Бюлер-Пашен (Silke Bühler Paschen) з Інституту фізики твердого тіла TU Wien підійшла до питання інакше. Вони не намагалися зробити так, щоб увесь кристал був у суперпозиції двох станів, як той самий кіт Шредінгера. Замість цього їх цікавило, чи можуть його складові — електрони та інші збудження — діяти колективно, як мурашник, де важлива не окрема мураха, а злагоджена робота всієї колонії.

Якщо в такому «квантовому мурашнику» частинки заплутані, то зміна однієї частини системи миттєво пов’язана зі зміною інших. Саме цю колективну чутливість і намагалися виміряти дослідники.

Квантова фішерівська інформація: як виміряти невидиму заплутаність

Теоретичну основу методу заклала група Пітера Цоллера (Peter Zoller) з Інсбрука. Вони показали, що так звана квантова фішерівська інформація може «підсвітити» заплутаність навіть у великих багаточастинкових системах.

Простими словами, квантова фішерівська інформація вимірює, наскільки чутливо квантова система реагує на невелике збурення. Якщо у вас є колекція незалежних частинок, кожна реагує сама по собі, і загальна відповідь обмежена простою сумою їхніх реакцій.

Але якщо частинки заплутані, система може відгукуватися сильніше, ніж проста сума окремих внесків. Це схоже на оркестр: окремі музиканти можуть грати голосно, але коли вони ідеально синхронізовані, ефект набагато потужніший, ніж просто «кілька гучних інструментів».

Саме ця посилена чутливість робить заплутаність цінним ресурсом для квантової метрології — галузі, де прагнуть вимірювати надзвичайно слабкі сигнали з максимальною точністю. Вимірявши, наскільки сильно матеріал реагує на контрольоване збурення, можна зробити висновок про ступінь заплутаності всередині нього.

Експеримент з дивним металом і «питанням» від нейтрона

Дослідники TU Wien виростили кристал дивного металу з елементів церій, паладій і кремній . Дивні метали — це клас матеріалів з уже відомими незвичними квантовими властивостями, багато з яких досі погано зрозумілі. Подібна поведінка спостерігається й у деяких високотемпературних надпровідниках.

У Інституті Лауе-Ланжевена в Греноблі аспірант Федеріко Мацца (Federico Mazza) опромінював кристал нейтронами та вимірював, як він реагує. Можна уявити, що кожен нейтрон — це «запитання», адресоване матеріалу: як ти відгукнешся на цей поштовх?

У звичайному матеріалі очікується, що нейтрон передасть свою енергію окремій частинці — наприклад, одному електрону чи одному збудженню ґратки. Але аналіз даних за допомогою квантової фішерівської інформації показав іншу картину.

Виявилося, що відповідь кристала не можна пояснити незалежною поведінкою частинок. Замість цього дані вказують на те, що на одне «запитання» нейтрона реагують колективно щонайменше дев’ять квантово заплутаних сутностей . Це прямий доказ сильної багаточастинкової заплутаності в твердому тілі, яке при цьому достатньо велике, щоб його можна було зручно тримати в руці.

Чому дивні метали такі дивні

Метою роботи було краще зрозуміти загадкову поведінку дивних металів. Подібні властивості зустрічаються в різних класах матеріалів, зокрема у високотемпературних надпровідниках, і останніми роками дослідження в цій галузі значно прискорилися.

Раніше співпраця між TU Wien і Університетом Райса в США показала, що електричний струм у таких матеріалах тече несподівано «тихо», з дуже низьким рівнем шуму. Це виглядало так, ніби флуктуації струму кудись зникають.

Тепер виявлена заплутаність пропонує можливе пояснення: частинки нікуди не діваються, вони просто узгоджують свою поведінку, щоб пригнічувати флуктуації. Як натовп людей, який рухається в одному ритмі, не штовхаючись, замість хаотичного тисняви.

Теоретик Фахер Ассад (Fakher Assaad) з Університету Вюрцбурга підкреслює, що йдеться не лише про особливість одного конкретного матеріалу. Сильна заплутаність, схоже, безпосередньо пов’язана з незвичайною поведінкою дивних металів загалом.

Що це означає для квантових технологій

Для команди Сілке Бюлер-Пашен результати стали підтвердженням незвичного підходу: застосувати методи квантової інформації до фізики твердого тіла й дослідження нових матеріалів. Це дозволило побачити фундаментально нову картину того, що відбувається всередині дивних металів.

Наступна мета — запустити обмін знаннями в зворотному напрямку. Дослідники хочуть з’ясувати, чи можуть дивні метали стати корисними для квантових технологій, наприклад, у надточних вимірюваннях для квантової метрології, де потрібні матеріали з винятковою чутливістю до слабких сигналів.

FAQ

Це вже остаточний доказ заплутаності чи лише непрямий натяк?

Використання квантової фішерівської інформації дає прямий критерій багаточастинкової заплутаності: якщо відповідь системи перевищує межу для незалежних частинок, заплутаність неминуча. Водночас це перший подібний вимір для такого великого твердого тіла, тому інші групи, ймовірно, перевірятимуть і розвиватимуть цей підхід.

Чим дивні метали відрізняються від звичайних металів у повсякденних приладах?

У звичайних металах електрони поводяться приблизно як газ майже незалежних частинок. У дивних металах їхня взаємодія настільки сильна, що класичні моделі перестають працювати: опір змінюється незвично, шум струму пригнічується, а тепер ще й виявлено сильну заплутаність. Це робить їх радше «квантовими рідинами», ніж звичайними провідниками.

Чи означає це, що ми скоро побачимо квантові комп’ютери на дивних металах?

Поки що ні. Дослідження показує фундаментальну властивість матеріалу, але не готову технологію. Однак здатність великого кристала зберігати сильну заплутаність натякає, що подібні матеріали можуть стати будівельними блоками для майбутніх квантових сенсорів або інших пристроїв, де важлива надвисока чутливість.

Чому вчені не бачили такої заплутаності в великих об’єктах раніше?

По-перше, квантові ефекти в макроскопічних тілах зазвичай «розмиваються» взаємодією з оточенням. По-друге, до появи інструментів на кшталт квантової фішерівської інформації просто не було зручного способу надійно виміряти заплутаність у системі з величезною кількістю частинок. Нові теоретичні й експериментальні методи відкрили вікно в цю приховану квантову сторону звичних на вигляд об’єктів.

🤯 Великий кристал у руці може виявитися не «сукупністю атомів», а єдиним квантовим організмом — і це змушує по-новому подивитися на межу між мікросвітом і нашим повсякденним світом. Якщо заплутаність здатна пронизувати цілі шматки матерії, то майбутні квантові технології, ймовірно, будуть будуватися не лише на окремих атомах, а й на цілих «квантових матеріалах», які поводяться як узгоджені суперсистеми.

Наука