厘米级晶体中首次探测到高度量子纠缠

实验：中子揭示纠缠的集体行为

由维也纳工业大学的 Silke Bühler-Paschen 教授带领的研究团队并未尝试让整块晶体进入叠加态——对于如此巨大的物体来说这是不现实的。相反，他们在法国格勒诺布尔的劳埃-朗之万研究所利用非弹性中子散射技术，测量了材料的动态自旋关联函数 S(q, ω, T)。简单来说，他们用中子轰击晶体，观察材料中粒子的自旋如何随能量、动量和温度的变化而集体运动和涨落 。

当研究人员将量子费希尔信息理论应用到这些散射数据上时，结果令人震惊。晶体展现出的集体响应强度远远超过了独立粒子的总和。在实验达到的最低温度下，量子费希尔信息密度达到了 f_Q = 8.2 ± 0.9，这一数值在数学上对应于一个由 至少九个量子纠缠实体 组成的集体行动。纠缠程度在实验达到的最低温度 60 mK 以及大约 1.73 特斯拉的磁场条件下达到峰值，该点恰好是近藤破坏发生的量子临界点。而当晶体从 10 K 冷却至 60 mK 时，量子费希尔信息密度激增了近40倍，且毫无饱和迹象，暗示在更低的温度下可能存在更强的纠缠 。

奇异金属为何“奇异”

这些结果为凝聚态物理领域的最大难题之一提供了极具说服力的新解释。奇异金属的导电方式与普通金属不同。其电子似乎失去了个体身份，形成了一种集体性的“量子汤”。这项实验直接将准粒子在近藤破坏量子临界点的崩溃与多体量子纠缠的激增联系了起来 。因此，定义奇异金属的那种电阻-温度线性关系，可能并非无序状态或简单散射的指纹，而是一种高度纠缠的集体量子态的信号。

从基础物理到量子传感器

除了解释奇异金属，这项研究还为量子技术的应用开辟了一条切实可行的道路。量子费希尔信息不仅是探测纠缠的工具，也是量子计量学（关于超精密测量科学）的核心概念。一种具备稳固内在纠缠的材料，天然就是一个高灵敏度传感器的平台。如果能在更高、更具实用价值的温度下维持这种纠缠，这些材料便可用于从磁场传感到引力波探测等广泛领域。该研究为利用量子费希尔信息技术系统地筛选其他量子材料（包括高温超导体）以寻找宏观量子纠缠打开了大门 。

跨学科合作的前沿

这项研究是一次国际合作的结晶。实验工作由维也纳工业大学的 Silke Bühler-Paschen 团队主导，博士生 Federico Mazza 在劳埃-朗之万研究所执行了中子散射实验。理论基础则由因斯布鲁克大学的 Peter Zoller 团队构建。来自莱斯大学的 Qimiao Si，其团队长期研究 Ce₃Pd₂₀Si₆ 的近藤破坏机制，也为研究做出了贡献。

通过将抽象的量子信息工具与一块真实固体的复杂现实结合在一起，该团队在原本相距甚远的两个领域之间架起了一座桥梁。他们为物理学家们提供了一种全新的方式，来见证曾被爱因斯坦所质疑的“鬼魅般的超距作用”——这次不是在受控的真空腔里，而是在一块人们视野中闪闪发光的小小晶体之中。