Квантовая запутанность подтверждена в Z-бозонах на Большом адронном коллайдере
Физики из Оксфорда и международная коллаборация ATLAS обнаружили квантовую запутанность в парах Z-бозонов, созданных при распаде бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере CERN. Это первое подтверждение «спокойного» квантового эффекта в условиях экстремальных энергий — триллион электронвольт.
Квантовая запутанность — явление, при котором две частицы, возникшие из одного источника, остаются связаны друг с другом, даже если находятся далеко друг от друга в пространстве и времени. Если что-то воздействует на одну частицу, это влияет и на все запутанные с ней частицы. Измерение свойства одной частицы мгновенно даёт информацию о её запутанных партнёрах, независимо от расстояния между ними. Альберт Эйнштейн назвал это явление «жутким действием на расстоянии».
Где ищут запутанность
Ранее квантовая запутанность была продемонстрирована в фотонах, электронах и захваченных ионах. Сегодня явление лежит в основе развивающихся технологий: квантовых компьютеров, сверхзащищённых квантовых коммуникационных сетей и датчиков следующего поколения. В квантовых компьютерах запутанность используется для манипулирования несколькими кубитами в одной операции, а не по отдельности, что позволяет выполнять несколько расчётов одновременно.
Экстремальные условия на коллайдере
Неизвестно было, остаётся ли квантовая запутанность нетронутой в экстремальных условиях — например, в короткоживущих частицах, производимых при высокоэнергетических столкновениях. Для проверки международная коллаборация использовала эксперимент ATLAS на Большом адронном коллайдере CERN близ Женевы, Швейцария. Команда искала запутанность в новой среде: парах Z-бозонов, которые существуют лишь доли секунды перед распадом.
Как проводился эксперимент
Z-бозоны изучались при распаде бозона Хиггса — частицы, открытой на LHC в 2012 году. Бозон Хиггса кратко расщеплялся на два Z-бозона, каждый из которых затем распадался на пары электронов или мюонов. Бозоны Хиггса генерировались путём столкновения протонов, движущихся со скоростью 99,99% скорости света, с энергией столкновений 13 триллионов электронвольт.
Хотя Z-бозоны исчезают почти мгновенно, детектор ATLAS может точно отслеживать электроны и мюоны, которые они оставляют. Восстанавливая углы, под которыми были испущены эти частицы, исследователи смогли вывести спины исходных Z-бозонов и проверить, связаны ли они квантовой запутанностью. Результаты показали сильные доказательства того, что они были запутаны. Это одно из самых высокоэнергетических подтверждений квантовой запутанности когда-либо зафиксированных.
Фундаментальность явления
Профессор Алан Барр из Оксфордского университета, соавтор исследования, был одним из первых, кто предложил использовать коллайдеры частиц для исследования квантовой запутанности на намного более высоких уровнях энергии, чем все предыдущие тесты. Он участвовал в строительстве LHC и понял, что колоссальный аппарат можно использовать не только для открытия новых частиц. В 2023 году эксперимент с использованием детектора ATLAS продемонстрировал запутанность между парами топ-кварков — самых тяжёлых известных элементарных частиц.
«Мы привыкли думать о запутанности как о чём-то хрупком, наблюдаемом в лабораторных экспериментах с отдельными фотонами. Обнаружение её живой и здоровой среди частиц столь же тяжёлых и короткоживущих, как Z-бозоны, созданные в одних из самых насильственных столкновений, которые мы можем произвести на Земле, показывает, насколько фундаментален и устойчив этот квантовый эффект на самом деле», — сказал профессор Барр.
Перспективы и философские вопросы
Исследование способствует растущему усилию физиков заимствовать инструменты и идеи из квантовой информатики (области, лежащей в основе квантовых вычислений) и применять их к физике частиц. Эта взаимная поддержка помогает учёным разрабатывать новые, более чувствительные способы анализа данных коллайдера, с потенциалом выявления тонких эффектов, которые могут указывать на физику за пределами нашего нынешнего понимания вселенной.
В Оксфордском университете профессор Барр сопредседательствует крупному междисциплинарному проекту, исследующему основания квантовой механики при высоких энергиях. Проект также изучает философские последствия этих измерений и то, что они могут рассказать нам о фундаментальной природе реальности.
Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters. Это данные исследования, а не медицинский совет.
