量子现象通常与极小的对象如单个原子、分子或光子相关，这些对象必须与其环境严格隔离。但这些奇怪的量子效应是否也存在于足够大以看见和握住的物体中呢？维也纳工业大学的研究人员现在提供了令人信服的证据，证明它们确实可以。通过研究一种被称为奇异金属的材料制成的厘米级晶体，团队检测到了高度的量子纠缠，这是量子物理最引人注目的特征之一。他们利用一种量子信息科学中的技术，称为量子费舍尔信息，完成了这一研究。结果在量子信息与固态物理之间建立了新的联系，显示量子纠缠可以在宏观奇异金属中直接测量。从薛定谔的猫到蚁丘 量子力学是否仅适用于微小粒子，还是同样适用于更大物体，自该领域的早期就一直存在争论。物理学家厄温·薛定谔以他的思想实验著称，该实验涉及一只猫，在被观察之前，猫既活着又死着。从那时起，科学家们不断推动展示量子行为的系统的大小限制。维也纳工业大学的团队从不同的角度接近这一问题。“我们的方法不同，”维也纳工业大学固态物理研究所的西尔克·比勒-帕申教授说道。“我们不试图让晶体整体处于两种状态的叠加中。相反，我们问的是其组成部分是否——集体地——处于这样一种纠缠状态。”比勒-帕申说，与其去想薛定谔的猫，这个实验更像是一个蚁丘。当蚁丘受到干扰时，反应来自于整个蚁群的共同作用，而不是来自任何单个的蚂蚁。研究人员希望确定晶体内部的粒子是否以类似协调的方式进行行为。量子费舍尔信息揭示隐藏的纠缠 实验背后的理论框架由因斯布鲁克的量子物理学家彼得·佐勒和他的同事们开发。他们的工作表明，量子费舍尔信息可以用于识别复杂系统中的量子纠缠，即使这些系统由大量相互作用的粒子组成。“量子费舍尔信息量化了量子系统对变化响应的敏感性，”比勒-帕申解释道。“对于独立粒子的集合，反应是有限的，因为每个粒子都是单独作贡献的。然而，如果这些粒子是纠缠的，整个系统的反应可以比其各个部分的总和更强。这种增强的敏感性正是使纠缠成为量子计量学中如此宝贵的资源的原因之一，在量子计量学中，人们力求以尽可能高的精度检测极微小的信号。因此，通过测量一个系统对扰动的响应强度，可以推断出材料中存在的纠缠程度。”简单来说，一个强纠缠的系统比独立粒子的集合对干扰更为剧烈地反应，这使得研究人员能够估计存在多少纠缠。奇异金属晶体显示出集体量子行为 为了测试这个想法，研究人员创造了一种由铈、钯和硅组成的晶体。这种材料属于奇异金属的类别，长久以来吸引了物理学家的关注，因为它们展示了尚未完全理解的异常量子特性。在格勒诺布尔的劳厄-朗之凡研究所（ILL），博士生费德里科·马扎向晶体发射中子并测量了其响应。“在正常材料中，人们会期待中子将其能量传递给单个粒子，”马扎说。“但是通过使用量子费舍尔信息分析数据，我们发现的响应无法用独立粒子来解释。相反，它表明至少九个量子纠缠实体的组集体行动。”这些测量提供了直接证据，表明在一个足够大以舒适地放在手掌中的固体晶体内部存在强多体量子纠缠。解开奇异金属的谜团 研究人员最初的目的是更好地理解为何奇异金属的行为与传统材料如此不同。类似的行为在其他系统中也有发现，包括高温超导体。近年来，对奇异金属的兴趣迅速增长，因为科学家们继续发现意想不到的性质。在2025年，维也纳工业大学和莱斯大学的研究人员报告称，电流通过这些材料时伴随的电噪声异常低。新观察到的量子纠缠可能有助于解释原因。粒子似乎不是独立行动，而是以某种方式协调其行为，从而抑制电流波动。“我们在这里看到的并不是某种特定材料的细节，而是更深层次的现象。