Kryształ mieszczący się w dłoni skrywa jedno z najbardziej zadziwiających zjawisk kwantowych, jakie kiedykolwiek zaobserwowano w obiekcie makroskopowym. Badacze z Uniwersytetu Technicznego w Wiedniu po raz pierwszy potwierdzili eksperymentalnie istnienie silnego wielocząstkowego splątania kwantowego – zjawiska, w którym cząstki przestają być niezależnymi bytami i zaczynają zachowywać się jak skoordynowana całość.
Pracami zespołu kieruje profesor Silke Bühler-Pashen z Instytutu Fizyki Ciała Stałego TU Wien. Jej grupa zbadała kryształ wykonany z ceru, palladu i krzemu (Ce₃Pd₂₀Si₆) – tak zwany dziwny metal, czyli materiał znany fizykom od dawna, lecz wciąż pozostający zagadką. Materiały te wykazują nietypowe właściwości elektryczne i magnetyczne, których fizyka klasyczna nie potrafi wyjaśnić.
Doświadczenie zostało przeprowadzone w Instytucie Laue-Langevina (ILL) w Grenoble we Francji, jednym z największych światowych centrów nauk neutronowych. Doktorant Federico Mazza bombardował kryształ wiązką neutronów i mierzył jego reakcję na te zaburzenia. Nieelastyczne rozpraszanie neutronów pozwoliło naukowcom uzyskać szczegółowy obraz struktury wewnętrznej materiału w ekstremalnie niskich temperaturach i precyzyjnie dobranym polu magnetycznym.
Aby przeanalizować wyniki, naukowcy sięgnęli po narzędzie z zakresu informatyki kwantowej – kwantową informację Fishera (QFI), czyli metodę opracowaną przez teoretyka z Innsbrucka Petera Zollera i jego zespół. Istota tego rozwiązania jest prosta: jeśli w układzie występuje splątanie kwantowe, będzie on reagował na zewnętrzne zakłócenia znacznie silniej niż suma niezależnych reakcji pojedynczych cząstek. Poprzez pomiar wrażliwości układu można określić stopień splątania ukryty w materiale.
W typowym krysztale neutron przechodzący przez strukturę przekazałby energię pojedynczej cząstce. W tym przypadku stało się jednak inaczej: dane ujawniły zbiorową odpowiedź, której nie da się wyjaśnić prostą sumą niezależnych składowych. Obliczenia wykazały, że w stanie splątanym uczestniczą grupy liczące co najmniej dziewięć cząstek kwantowych, działających wspólnie jako jedność.
Zrozumienie tego procesu ułatwia obrazowa analogia. Wyobraźmy sobie mrowisko: gdy zostanie naruszone, nie reaguje każda mrówka z osobna, uciekając chaotycznie w różnych kierunkach, lecz cała kolonia jako jeden organizm. Analogicznie cząstki w krysztale wykazują zachowania zbiorowe – są one kwantowo powiązane i głęboko zorganizowane.
Wyniki opublikowane w czerwcu 2026 roku na łamach czasopisma Nature Physics mają znaczenie fundamentalne. Dowodzą one, że silne wielocząstkowe splątanie kwantowe nie jest w dziwnych metalach anomalią, lecz raczej ich nieodłączną cechą. Splątanie to wydaje się wyjaśniać ich nietypowe cechy: liniową zależność oporu elektrycznego od temperatury w niskich zakresach, co odbiega od standardowej teorii elektronowej metali, oraz wyjątkowo niski poziom szumu elektrycznego – zjawisko, które przez długi czas pozostawało dla badaczy zagadką.
Odkrycie to stanowi nieoczekiwany pomost między dwiema dziedzinami fizyki: informatyką kwantową a fizyką materii skondensowanej. Pokazuje ono, że metody metrologii kwantowej, wypracowane w laboratoriach badających pojedyncze atomy i fotony, można stosować bezpośrednio do makroskopowych próbek rzeczywistych materiałów bez konieczności ich idealnej izolacji od otoczenia. Oznacza to, że granica między światem klasycznym a kwantowym przebiega w zupełnie innym miejscu, niż tradycyjnie przedstawiały to podręczniki.
Perspektywy płynące z odkrycia są dalekosiężne i praktyczne. Materiały o tak wysokim stopniu splątania kwantowego mogą stać się podstawą do budowy niezwykle czułych czujników kwantowych – przyrządów zdolnych do rejestrowania sygnałów tak słabych, że są one nieuchwytne dla klasycznych detektorów. Może to zrewolucjonizować technologie pomiarowe w diagnostyce medycznej, geofizyce oraz fizyce fundamentalnej.
