Физики ЦЕРН обнаружили, что квантовая запутанность может сохраняться даже среди тяжелых короткоживущих частиц, возникающих в результате самых мощных столкновений на Земле. Источник: ЦЕРН

Частицы, оставшиеся после распада Z-бозонов, являются убедительным доказательством квантовой запутанности на Большом адронном коллайдере ЦЕРН.

Z-бозоны, тяжелые элементарные частицы, которые распадаются почти сразу после образования, оставляют после себя следы связи, которая может сохраняться даже при физическом разделении. Эта связь, известная как квантовая запутанность, объединяет квантовые свойства частиц таким образом, что измерение одной из них дает информацию о другой, даже если они находятся далеко друг от друга.

Международная группа ученых, в том числе физики из Оксфордского университета, нашла убедительные доказательства квантовой запутанности между парами Z-бозонов в ходе эксперимента ATLAS на Большом адронном коллайдере ЦЕРН недалеко от Женевы, Швейцария. Результаты, опубликованные в Physical Review Letters, представляют собой одно из самых высокоэнергетических подтверждений квантовой запутанности из всех когда-либо зарегистрированных. Это исследование распространяется на частицы, которые существуют лишь мгновение в экстремальных условиях.

Соавтор исследования профессор Алан Барр с физического факультета Оксфордского университета сказал: «Мы привыкли считать, что запутанность — это нечто хрупкое, наблюдаемое в лабораторных экспериментах с одиночными фотонами. Обнаружение того, что она жива и процветает среди таких тяжелых и короткоживущих частиц, как Z-бозоны, которые образуются в результате самых мощных столкновений, которые мы можем вызвать на Земле, показывает, насколько фундаментален и устойчив этот квантовый эффект». Это приятное напоминание о том, что те же странные законы квантовой механики, которые однажды могут стать основой для квантовых компьютеров, действуют повсюду в природе, даже при экстремальных энергиях Большого адронного коллайдера». 

Ускоритель Большого адронного коллайдера (БАК) в туннеле ЦЕРН. Источник: ЦЕРН, 2009–2026 гг.

Отслеживание запутанности после исчезновения Z-бозонов

Z-бозоны, участвовавшие в этом исследовании, образовались в результате распада бозонов Хиггса — частиц, открытых на БАК в 2012 году. Чтобы произвести бозоны Хиггса, коллайдер сталкивает протоны, движущиеся со скоростью 99,99 % от скорости света, с энергией столкновения 13 триллионов электронвольт.

Исследователи наблюдали процесс распада, при котором бозон Хиггса порождает два Z-бозона, каждый из которых затем распадается на пару электронов или мюонов. Мюоны — это частицы, похожие на электроны, но более тяжелые. Хотя Z-бозоны исчезают почти мгновенно, ATLAS может точно отследить более долгоживущие продукты их распада.

Углы, под которыми вылетают электроны и мюоны, несут информацию о спинах исходных Z-бозонов — квантовом свойстве, связанном с угловым моментом. Восстановив эти углы, команда смогла определить спины и проверить, связаны ли они квантовой запутанностью. Это позволило исследователям изучить квантовую связь между частицами, которые уже исчезли. 

Детектор ATLAS в ЦЕРН. Источник: ЦЕРН, 2007–2026 гг.

От фотонов к запутанным топ-кваркам

Ранее запутанность была продемонстрирована на фотонах, электронах и захваченных ионах. Альберт Эйнштейн метко описал ее как «жуткое дальнодействие», но для проверки этого явления на массивных, быстро распадающихся частицах требуется другой экспериментальный подход.

Барр, участвовавший в создании Большого адронного коллайдера, одним из первых предложил использовать коллайдеры частиц для изучения запутанности при энергиях, намного превышающих те, что использовались в предыдущих экспериментах. Он понял, что прибор, созданный для обнаружения частиц, может также исследовать их квантовое поведение. Его идеи легли в основу эксперимента ATLAS, проведенного в 2023 году, который продемонстрировал запутанность между парами верхних кварков — самых тяжелых из известных элементарных частиц. Измерение Z-бозона распространило эту работу на другой тип частиц.

Квантовые инструменты могут открыть новые горизонты в физике

Эти эксперименты на коллайдере также опираются на квантовую информатику — область, лежащую в основе квантовых вычислений. Запутанность позволяет манипулировать несколькими кубитами, базовыми единицами квантовой информации, с помощью одной операции, а не по отдельности, что обеспечивает возможность параллельных вычислений. Она также лежит в основе новых подходов к созданию высокозащищенных квантовых коммуникационных сетей и датчиков нового поколения.

Физики адаптируют идеи и инструменты из этой области для более тщательного анализа данных, полученных на коллайдере. Такие методы могут выявить едва заметные эффекты, которые выходят за рамки современного понимания физики элементарных частиц.

Более крупные массивы данных дадут исследователям больше возможностей для применения этих методов. Исследователи из Оксфорда помогают модернизировать детектор ATLAS, который будет работать вместе с обновленным Большим адронным коллайдером с высокой светимостью. Ожидается, что эти усовершенствования позволят проводить более детальные исследования квантовых явлений и получать огромные объемы данных для анализа с помощью новых методов квантовой информации.

Профессор Даниэла Бортолетто с физического факультета Оксфордского университета координирует усилия Великобритании по созданию модулей для модернизированной пиксельной системы детектора ATLAS. Она сказала: «Это измерение демонстрирует научный потенциал коллаборации ATLAS и уникальные возможности Большого адронного коллайдера ЦЕРН. Исследователи из Оксфорда сыграли ведущую роль в разработке этих новых подходов к изучению квантовых явлений при самых высоких энергиях, и мы гордимся тем, что вносим свой вклад в международные усилия, которые открывают новые пути для исследования фундаментальных законов природы».

Эти измерения также заставляют задуматься о том, как интерпретировать квантовую механику. В Оксфорде Барр является одним из руководителей междисциплинарного проекта, который объединяет экспериментальные исследования на самых малых масштабах и при самых высоких энергиях с философскими изысканиями о том, что эти исследования говорят нам о реальности.

Соруководитель проекта профессор Крис Тимпсон с философского факультета Оксфорда сказал: “Запутанность является одновременно самым многообещающим и самым загадочным аспектом квантовой реальности; эти эксперименты на коллайдере, обнаруживающие запутанность, представляют собой новый рубеж в исследованиях основ квантовой механики”.