I ricercatori sperimentali della TU Wien hanno dimostrato che gli oggetti macroscopici possono mostrare effetti collettivi che offrono uno sguardo diretto sul mondo quantistico. Studiando un cristallo di un cosiddetto metallo strano delle dimensioni di un centimetro, il team ha rilevato un elevato grado di entanglement quantistico. Questo importante traguardo è stato raggiunto applicando un metodo ben definito della teoria dell’informazione quantistica, noto come informazione di Fisher quantistica.
Entanglement quantistico: il fenomeno subatomico si manifesta su scala macroscopica
Lo studio stabilisce un nuovo ponte tra la fisica dello stato solido e la meccanica quantistica, dimostrando che l’entanglement può essere quantificato direttamente in un materiale macroscopico e tangibile. La questione se le insolite leggi della teoria quantistica possano essere applicate a oggetti di grandi dimensioni è antica quanto la teoria stessa, come evidenziato dal celebre esperimento mentale del gatto di Erwin Schrödinger. Da allora, numerosi esperimenti hanno tentato di generare deliberatamente stati quantistici in sistemi sempre più estesi.
L’approccio adottato dal team di ricerca della TU Wien si differenzia fondamentalmente dai metodi tradizionali che cercano di forzare un intero oggetto in una sovrapposizione di stati. Invece di provare a modificare il cristallo nel suo insieme, gli scienziati si sono chiesti se i suoi costituenti si trovassero, collettivamente, in uno stato di entanglement. Questo metodo sposta l’attenzione scientifica dall’isolamento delle singole particelle verso un comportamento coordinato e globale del sistema.
Questo fenomeno collettivo ricorda meno il gatto di Schrödinger e più la dinamica di un formicaio. Quando un formicaio viene disturbato, non è una singola formica a reagire alla minaccia, ma è l’intera colonia che funziona all’unisono come un unico organismo. La base teorica di questa prospettiva innovativa è stata sviluppata dal fisico quantistico Peter Zoller e dal suo team presso l’Università di Innsbruck.
Il team di Zoller ha dimostrato che il concetto di informazione di Fisher quantistica può essere utilizzato con successo per rilevare e misurare l’entanglement quantistico anche in sistemi a molti corpi di grandi dimensioni. Questo quadro teorico ha fornito agli sperimentatori gli strumenti matematici necessari per analizzare le complesse interazioni all’interno di un materiale solido. Di conseguenza, la collaborazione ha aperto nuove strade per l’esame del comportamento quantistico su macroscala.
I meccanismi dell’informazione di Fisher quantistica
L’informazione di Fisher quantistica serve come metrica sensibile per quantificare la reattività con cui un sistema quantistico risponde a una perturbazione esterna. In un sistema composto interamente da particelle indipendenti, la risposta complessiva è strettamente limitata perché ogni particella contribuisce singolarmente ai cambiamenti. Tuttavia, se le particelle costituenti sono entangled, l’intero sistema può rispondere in modo molto più dinamico rispetto alla semplice somma delle sue singole parti.
Questa maggiore sensibilità è precisamente ciò che rende l’entanglement quantistico una risorsa inestimabile per il campo della metrologia quantistica. In questa disciplina, l’obiettivo primario è rilevare segnali fisici o cosmici eccezionalmente deboli con il massimo grado di precisione possibile. Misurando l’esatta intensità con cui un materiale reagisce a un disturbo esterno, i fisici possono dedurre matematicamente il livello di entanglement presente.
Per testare questa teoria, il team sperimentale ha sintetizzato un cristallo specializzato composto da cerio, palladio e silicio. Questo specifico metallo strano è stato selezionato perché era già noto per il possesso di proprietà quantistiche straordinarie che non sono ancora del tutto comprese. Presso l’ILL di Grenoble, il dottorando Federico Mazza ha bombardato il cristallo con neutroni per osservare le reazioni interne risultanti.
Coordinazione delle particelle e future applicazioni tecnologiche
In un materiale convenzionale, ci si aspetterebbe che un neutrone in arrivo trasferisca la sua energia cinetica a una singola particella isolata all’interno del reticolo. Tuttavia, quando i dati di diffusione sono stati analizzati utilizzando l’informazione di Fisher quantistica, i ricercatori hanno trovato una risposta che ha sfidato i modelli a particelle indipendenti. I risultati hanno indicato che gruppi di almeno nove entità quantistiche erano entangled e agivano collettivamente all’interno del solido.
Questa scoperta fornisce una prova diretta dell’entanglement quantistico multipartito all’interno di un oggetto macroscopico abbastanza grande da essere tenuto comodamente in mano. La motivazione scientifica principale era comprendere meglio l’anomalo comportamento metallico del cristallo, che somiglia a tratti visti nei superconduttori ad alta temperatura. La ricerca in questo campo si è intensificata negli ultimi anni, man mano che emergevano proprietà materiali sempre più insolite.
Una collaborazione tra la TU Wien e la Rice University ha precedentemente scoperto che le correnti elettriche scorrono attraverso questi metalli strani in modo sorprendentemente silenzioso. Il rilevamento di un entanglement diffuso offre ora una spiegazione plausibile, suggerendo che le particelle si coordinino per sopprimere attivamente le fluttuazioni elettriche. Il teorico Fakher Assaad ha notato che questo forte entanglement appare direttamente collegato all’insolito comportamento dei metalli strani, che un giorno potrebbero trovare applicazione nelle tecnologie quantistiche di alta precisione.
Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Nature Physics.
