Meghökkentő felfedezés: kvantum-összefonódás egy kristályban, amit bárki a kezébe foghat

Hadd ülj le egy pillanatra. A fizikusok épp most találtak kvantum-összefonódást — azt a híres "távolságon át is összekapcsolt" jelenséget, amit Einstein "kísérteties távoli hatásnak" nevezett — egy kristályban. Igen, abban a kristályban, amit simán felemelhetsz és a tenyeredben tarthatsz. Akkora, mint egy vastag kockacukor.

Most nem tudom, neked hogy volt, de amikor én tanultam a kvantummechanikát, azt mondták, hogy ezek a furcsa jelenségek csak a legkisebb léptékben működnek. Egyedi atomok. Parányi részecskék. Olyan dolgok, amiket csak extreme laboratóriumi körülmények között lehet megfigyelni. Az az elképzelés, hogy kvantum-őrület macroscopikus méretekben is létezhet — látható szabad szemmel, érezhető a tenyerünkben — nos, ez sci-finek tűnt.

De úgy látszik, mégsem az.

A hangyaboglyó-analógia, ami mindent megváltoztatott

A TU Wien (Bécs, Ausztria) kutatói nem azt akarták bizonyítani, hogy egy egész kristály lehet egyszerre két állapotban, mint Schrödinger híres macskája. Ehelyett egy másik kérdést tettek fel: vajon a kristály belsejében lévő részecskék együtt tudnak-e működni egy koordinált kvantum-táncban?

A projektvezető, Prof. Silke Bühler-Paschen fenomenálisan magyarázza el ezt. Azt mondja, gondoljunk egy hangyaboglyóra. Amikor belerúgsz egy hangyaboglyóba, a válasz nem egyetlen hangyától jön — az egész kolónia együtt reagál. A hangyák összefonódnak a kollektív viselkedésükben.

Ezt keresték. Nem egy kvantum-macskát, hanem egy kvantum-hangyaboglyót.

És itt jön a vad rész: megtalálták.

Hogyan mérheted meg a kvantum-összefonódást?

Itt lesznek okosak a dolgok. A csapat egy úgynevezett kvantum-Fisher-információt használt — ez egy kvantuminformációs tudományból származó fogalom, ami lényegében azt méri, mennyire érzékenyen reagál egy kvantumrendszer a változásokra.

Íme a kulcsötlet: ha a részecskék függetlenül viselkednek (mint az idegenek egy tömegben), a rendszer válasza egy zavarra korlátozott. Minden részecskényi hozzáadódik, semmi több.

De ha ezek a részecskék összefonódnak? A teljes rendszer olyan módokon reagálhat, amelyek messze meghaladják azt, amit az egyéni hozzájárulások összeadásától várnál. A kollektív viselkedés valami nagyobb lesz, mint a részek összege.

Gondoljunk egy zenekarra. Egy hegedűs szépen játszhat. De ötven muzsikus, akik igazán szinkronban játszanak, valami transzcendenset hozhatnak létre. Ugyanígy a kvantumrendszerekkel: az összefonódás lehetővé teszi számukra, hogy elérjenek egyfajta kvantum-harmóniát.

A furcsa fém, ami mindent elindított

A теория teszteléséhez a kutatók egy kristályt készítettek cériumból, palládiumból és szilíciumból. Ez az anyag a furcsa fémek osztályába tartozik — és hidd el, a fizikusok évtizedek óta vakargatják a fejüket miattuk.

A furcsa fémek... furcsán viselkednek. Az elektromos tulajdonságaik nem követik a normális szabályokat, amelyek a legtöbb anyagot irányítják. Olyan módon vezetik az elektromosságot, amit nem teljesen értünk, és kapcsolatba hozták őket a magas hőmérsékletű szupravezetéssel — ami az alkalmazási lehetőségek szempontjából elég nagy ügy.

A Grenoble-i kutatóintézetben PhD hallgató, Federico Mazza neutronokat lőtt a kristályra, és gondosan mérte, hogyan reagál. Az eredmények? Egyértelmű bizonyíték arra, hogy valami szokatlan történik.

"Egy normál anyagban azt várnád, hogy egy neutron az energiáját csak egyetlen részecskének adja át" — magyarázza Mazza. De ez nem az volt, amit az adatok mutattak. Ehelyett a válaszminta azt jelezte, hogy legalább kilenc kvantum-összefonódott entitás működik együtt.

Kilenc részecske, mind egy kvantum-ölelésben, koordinálva a viselkedésüket olyan módokon, amelyek ellentmondanak a klasszikus fizikának.

Miért kellene ez neked?

A "te jó ég, ez klassz" faktoron túl ennek a felfedezésnek valódi jelentősége van.

Először is, áthidalja a két világot, amelyek nem mindig beszélnek egymással: a kvantuminformációs tudományt és a szilárdtestfizikát. A kutatók elméleti eszközöket fejlesztettek ki, mint a kvantum-Fisher-információ, absztrakt kvantumszámítási kontextusokban, és most ezeket valós anyagok megértésére alkalmazzuk a laborban.

De itt van az, ami igazán lázba hoz: ez végre megmagyarázhatja, miért olyan furcsák a furcsa fémek.

Legújabb kutatások kimutatták, hogy az elektromos áram szokatlanul alacsony zajjal halad át a furcsa fémeken — kevesebb "zizegéssel", mint várnánk. Az új összefonódási eredmények lehetséges magyarázatot kínálnak: ahelyett, hogy a részecskék függetlenül mozognának és véletlenszerű ingadozásokat okoznának, az elektronok kvantum-összefonódáson keresztül koordinálódhatnak, ami természetesen elnyomja ezeket az ingadozásokat.

Olyan ez, mint a különbség egy kaotikus tömeg között, ahol mindenki egyszerre próbál átfurakodni egy ajtón, és egy szinkronizált tánccsoport között, amely tökéletes felállásban mozog. Az egyik zajt és káoszt okoz; a másik gördülékenyen áramlik.

A nagy kép

Izgalmas korszakban élünk, ahol a kvantummechanika határait sokkal tovább toljuk, mint bárki gondolta volna. Nem is olyan régen az a gondolat, hogy kvantumhatások milliméteres léptékű kristályokban létezhetnek, abszurdnak tűnt. Most ez a kísérleti valóság.

Persze ez nem jelenti azt, hogy hamarosan Schrödinger macskáját fogjuk kristálydobozba tenni. Az itt detektált kvantum-viselkedés kollektív és finom — nem úgy, hogy a kristály maga létezik egyszerre két állapotban. De azt jelenti, hogy a kvantum-összefonódás elterjedtebb, mint gondoltuk, és olyan helyeken rejtőzik, ahol soha nem gondoltuk volna keresni.

És őszintén? Ez teszi a tudományt gyönyörűvé. Az univerzum folyamatosan meglep minket, megmutatva, hogy az intuícióink arról, mi a "normális", csupán korlátozások, amelyeket önmagunkra róttunk.

Legközelebb, amikor megnézel egy kristályt — talán azt a kvarc geódát az ablakpárkányodon vagy a sótartót az asztalon — ne feledd: lehet, hogy kvantum-titkokat őriz. Több ezer részecske, potenciálisan együtt táncolva olyan módokon, amelyeket nem láthatunk közvetlenül, olyan szabályok szerint viselkedve, amelyek megértéséhez az emberiségnek évszázadokra volt szüksége.

Hát nem remek gondolatkísérlet ez?