«Жахливий вчинок» Ейнштейна щойно пройшов одне з найсуворіших випробувань фізики

Квантова заплутаність виникає, коли дві частинки мають спільні властивості таким чином, що вимірювання однієї можуть виявити інформацію про іншу, навіть якщо частинки розділені. Заплутаність є однією з найбільш суперечливих особливостей квантової механіки, яка десятиліттями ставить під сумнів розуміння реальності фізиків.

Альберт Ейнштейн назвав заплутаність «моторошною дією на відстані», і вчені раніше спостерігали цей ефект у системах із заплутаними фотонами, електронами та іонами. Заплутаність також стала основою для кількох нових технологій, включаючи квантові комп’ютери, надзахищені квантові комунікаційні мережі та вдосконалені датчики. У квантових обчисленнях, наприклад, заплутаність дозволяє маніпулювати декількома кубітами разом, а не по одному, що дозволяє виконувати кілька обчислень одночасно.

Квантовий мікрохвильовий експеримент при екстремальній енергії

Що залишалося менш ясним, так це те, чи може заплутаність вижити в набагато більш екстремальних умовах, включаючи інтенсивні зіткнення частинок високої енергії, створені в CERN.

Щоб дослідити це питання, міжнародна група використала експеримент ATLAS на Великому адронному колайдері (LHC) поблизу Женеви, Швейцарія. Замість того, щоб вивчати фотони чи інші відносно довгоживучі квантові системи, дослідники шукали заплутаності між парами Z-бозонів, масивних частинок, які існують лише крихітну частку секунди перед розпадом.

Досліджувані в експерименті Z-бозони були створені в результаті розпаду бозона Хіггса, частинки, відкритої на LHC у 2012 році. Бозон Хіггса може короткочасно розпадатися на два Z-бозони, які потім розпадаються на пари електронів або мюонів. Самі бозони Хіггса утворюються, коли протони, що рухаються зі швидкістю 99,99% швидкості світла, стикаються з енергією 13 трильйонів електронвольт.

Швидкі Z-бозони залишають квантові докази

Хоча Z-бозони зникають майже відразу після їх створення, детектор ATLAS може точно виміряти електрони та мюони, що утворюються в результаті їх розпаду.

Дослідники проаналізували кути падіння цих частинок і використали цю інформацію для реконструкції спінів оригінальних Z-бозонів. Це дозволило команді визначити, чи два Z-бозони демонструють кореляції, очікувані від квантової заплутаності.

Вимірювання надали переконливі докази того, що так і було. Результат є одним із найвищих підтверджень енергії квантової заплутаності, коли-небудь досягнутих.

Співавтор дослідження, професор Алан Барр з кафедри фізики Оксфорда, був одним із перших дослідників, які припустили, що колайдери частинок можна використовувати для дослідження квантової заплутаності при енергіях, подібних до тих, що використовуються в традиційних квантових експериментах.

Барр, який брав участь у будівництві LHC, визнав, що масивний колайдер може служити не лише для пошуку нових частинок. Його ідеї надихнули експеримент ATLAS у 2023 році, який продемонстрував зв’язок між парами топ-кварків, найпоширеніших елементарних частинок.

Професор Барр сказав: «Ми звикли думати про заплутаність як про тонку річ, яку можна побачити в лабораторних експериментах з окремими фотонами. Знайти його живим і здоровим серед важких, короткоживучих частинок, таких як Z-бозони, в деяких із найінтенсивніших зіткнень, які ми можемо створити на Землі, показує, наскільки фундаментальним і надійним є цей квантовий ефект. Це гарне емпіричне правило, яке нагадує мені квантову механіку». що квантові комп’ютери одного дня можуть працювати всюди в природі, навіть при екстремальних енергіях Великого адронного колайдера».

Ідеї ​​квантових обчислень зустрічаються з фізикою елементарних частинок

Ця робота також є частиною ширших зусиль, спрямованих на те, щоб перенести концепції з квантової інформаційної науки (галузь, що стоїть за квантовими обчисленнями) до фізики частинок високих енергій.

Застосовуючи ідеї, розроблені для квантових систем, до масивних наборів даних, створених колайдерами частинок, дослідники сподіваються створити більш чутливі способи виявлення тонких закономірностей. Ці методи можуть виявити наслідки, які суперечать поточному розумінню фізиків Всесвіту, потенційно даючи підказки про фізику поза межами існуючих теорій.

В Оксфордському університеті професор Барр очолює великий міждисциплінарний проект, присвячений основам квантової механіки при високих енергіях. Проект буде перевіряти квантову поведінку в дуже малих масштабах і при дуже високих енергіях, а також досліджуватиме філософські питання, які піднімають такі експерименти, включно з тим, що вони відкривають про основну природу реальності.

Професор Кріс Тімпсон (філософський факультет) сказав у проекті: «Заплутаність є одночасно найперспективнішим і найскладнішим аспектом квантової реальності; ці експерименти на колайдері, які виявляють заплутаність, пропонують новий рубіж у дослідженні основ квантової механіки».

CERN готується до більш глибоких квантових експериментів

Вчені з Оксфордського університету також беруть участь у розробці детектора ATLAS. Очікується, що ці вдосконалення в поєднанні з удосконаленим Великим адронним колайдером High-Light забезпечать набагато більші набори даних і дадуть фізикам нові можливості для дослідження квантових явищ при екстремальних енергіях.

Додаткові дані також можуть дозволити дослідникам використовувати більш складні методи квантової інформації у фізиці елементарних частинок, потенційно підвищуючи чутливість майбутніх пошуків раніше невідомих явищ.

Професор Даніела Бортолетто (Фізичний факультет Оксфордського університету), яка є координатором у Великій Британії з виробництва модулів для вдосконаленої системи детектора пікселів ATLAS, сказала: «Це вимірювання демонструє наукову потужність колаборації ATLAS та унікальні можливості CERN, який відіграватиме нову роль у розвитку цих дослідників Великих вугільних шахт для вивчення квантових явищ на найвищому рівні. енергії, і ми пишаємося тим, що вносимо свій внесок у міжнародні зусилля, які відкривають нові шляхи вивчення фундаментальних законів природи.

Опубліковано дослідження «Вимірювання пар Z-бозонів у розпадах бозонів Хіггса в експерименті ATLAS». Листи про фізичний огляд.