量子力学有一个很奇怪的特点。
两个粒子哪怕相隔遥远,也可能像共享同一个“大脑”一样保持同步。
爱因斯坦曾经把这种现象称为“鬼魅般的超距作用”,而今天,我们把它叫做量子纠缠。
过去几十年里,量子纠缠几乎一直活跃在微观世界。
几个原子、几个光子、几个电子。
实验室里的研究人员总是小心翼翼地把它们隔离起来,避免外界环境破坏这种脆弱的量子联系。
因为按照常识,一个系统越大,就越难保持量子特性。
一个电子容易纠缠。
一只猫就很难。
一块肉眼可见的固体晶体,更几乎被认为是不可能的事情。
然而最近,奥地利维也纳工业大学(TU Wien)领导的研究团队却宣布,他们在一块厘米级大小的奇异金属晶体中,直接探测到了极高程度的量子纠缠。
这意味着,量子纠缠不仅存在于微观世界,甚至能够在我们拿在手里的宏观物体中大规模存在。
相关研究发表于《Nature Physics》。
很多人第一次听到这个消息时都会产生一个疑问:
量子纠缠不是两个粒子之间的事情吗?
怎么会出现在一整块金属里?
答案恰恰隐藏在“奇异金属”这个名字里。
在传统金属中,电子运动基本遵循我们熟悉的物理规律。
它们像高速公路上的汽车一样移动。
虽然彼此会发生碰撞,但整体行为仍然可以被经典理论很好地描述。
然而奇异金属不同。
过去二十多年里,物理学家发现一些特殊材料表现出了大量无法解释的现象。
电阻变化异常。
热传导异常。
电子行为异常。
甚至连电流中的噪声都异常低。
它们似乎总是在挑战教科书。
更让科学家困惑的是,这些特性并非出现在某一种材料中。
高温超导体里有。
重费米子材料里也有。
各种看似毫不相关的体系都表现出了类似行为。
这意味着背后很可能隐藏着某种更加基础的物理机制。
为了寻找答案,研究团队把目光投向了一种由铈、钯和硅组成的奇异金属晶体。
这种材料本身就是量子材料研究领域里的“明星选手”。
过去许多令人费解的量子现象都曾在它身上出现。
这一次,研究人员想知道:
这些奇怪现象是否与量子纠缠有关?
问题在于,量子纠缠非常难测。
如果只有几个粒子,可以直接分析量子态。
但面对一块包含数以万亿亿计粒子的晶体,根本不可能一个一个去检查。
于是研究团队采用了一种来自量子信息科学的新工具。
量子费舍尔信息(Quantum Fisher Information)。
名字听起来有点拗口,但思想并不复杂。
假如你轻轻推一下一个系统。
如果系统里的粒子彼此独立,那么每个粒子只会按照自己的方式作出反应。
整体变化等于各部分反应简单相加。
但如果这些粒子处于量子纠缠状态,情况就完全不同了。
一个粒子的变化会影响整个系统。
整个系统会像一个整体那样行动。
因此,对外界扰动的敏感程度会远远超过各部分简单相加的结果。
换句话说:
纠缠越强,系统的反应就越剧烈。
而量子费舍尔信息,正是用来测量这种敏感程度的工具。
为了进行实验,研究人员把中子束射向晶体。
中子进入材料后,会把能量传递给内部粒子。
随后科学家观察整个晶体的响应。
按照传统理解,一个中子通常只能与单个粒子发生作用。
就像用手指轻轻碰一下人群中的一个人。
理论上,应该只有这个人受到影响。
但实验结果却完全不同。
研究人员发现,一个中子的作用竟然引发了远超预期的集体响应。
利用量子费舍尔信息分析后,他们得出了一个惊人的结论:
至少有九个量子实体同时参与了响应过程。
它们并不是各自独立行动。
而是在量子层面形成了一个整体。
换句话说,当一个中子提出问题时,至少有九个粒子一起给出了答案。
这已经不再是简单的粒子行为。
而是一种大规模、多体量子纠缠。
更重要的是,这种纠缠并非存在于几个原子构成的微观系统中。
它出现在一块厘米级大小的晶体内部。
这是一种真正意义上的宏观量子现象。
如果把传统量子实验比作观察几只蚂蚁,那么这次实验看到的更像是整个蚁群同时作出反应。
研究团队负责人西尔克·比勒-帕申教授形容说,这项研究与其说像薛定谔的猫,不如说像一座蚂蚁窝。
你碰一下蚂蚁窝。
响应你的不是某一只蚂蚁。
而是整个群体。
这项发现还有另一层重要意义。
近年来,科学家不断发现奇异金属拥有一些极其反常的性质。
例如2025年,维也纳工业大学与美国莱斯大学合作研究发现,电流在奇异金属中的流动异常安静。
噪声水平远低于理论预期。
这一直是一个难以解释的谜团。
如今,量子纠缠可能提供了答案。
粒子并没有消失。
它们只是以一种高度协同的方式共同运动。
就像一支训练有素的交响乐团。
每个成员都在演奏自己的部分。
但最终呈现出来的却是一个高度统一的整体。
这种协调性能够抑制随机波动,从而降低电流噪声。
更深层的问题则是:
这究竟是不是奇异金属独有的现象?
研究人员认为,也许不是。
他们怀疑,这背后可能揭示的是一种普遍存在于复杂量子材料中的基本规律。
如果这一猜想成立,那么强量子纠缠很可能正是许多神秘量子现象的共同源头。
包括高温超导、量子临界现象以及其他尚未完全理解的新型物态。
对于量子技术来说,这同样是一个令人兴奋的消息。
量子纠缠被认为是未来量子计算、量子通信和量子传感器的核心资源。
过去,人们通常依赖极度纯净、极度脆弱的微观系统来获得纠缠。
而如今,一种宏观固体材料竟然天然具备如此强烈的量子纠缠。
这意味着未来或许可以利用这些材料构建更加稳定、更容易操作的量子器件。
当然,现在谈应用还为时尚早。
但这项研究至少证明了一件事:
量子世界与宏观世界之间的边界,可能远没有我们想象得那么清晰。
几十年前,人们认为量子纠缠只属于原子和光子。
后来发现它可以出现在分子中。
再后来出现在超导体中。
如今,它又出现在一块能够握在手里的晶体里。
或许有一天,我们会发现整个宏观世界都隐藏着某种巨大的量子关联网络。
而这块不起眼的奇异金属晶体,只是人类第一次真正看见它的窗口。
(Federico Mazza et al, Quantum Fisher information in a strange metal,
Nature Physics
(2026).
DOI: 10.1038/s41567-026-03298-0)
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