- 22,450
- 46
- 8 Ноя 2022
Триллионная доля триллионной доли секунды изменила физику навсегда.
В тоннелях Большого адронного коллайдера каждую секунду происходят десятки миллионов столкновений протонов. В этом потоке рождённых частиц нередко появляется топ-кварк и его античастица — самые тяжёлые элементы стандартной модели. Их существование длится ничтожно мало, намного меньше триллионной доли триллионной доли секунды. Но даже за это мгновение успевает проявиться характерная черта квантовой механики: такие пары возникают в состоянии запутанности . Это значит, что если одна частица «выбирает» направление собственного спина, вторая тут же принимает противоположное.
Эта особенность важна ещё и потому, что большинство кварков успевают образовать составные частицы почти сразу, и их индивидуальные параметры становятся недоступны. Топ-кварк же распадается раньше, чем связывается с соседями, и его продукты сохраняют информацию о исходном спине. Благодаря этому детекторы LHC могут «прочитать» следы квантовой взаимосвязанности напрямую — редкая возможность для физики высоких энергий.
Первое чёткое измерение взаимных корреляций внутри таких пар выполнил эксперимент ATLAS в 2023 году . После этого появилась целая серия работ, в которых столкновения протонов стали рассматривать как своеобразный квантовый вычислительный процесс. Два возможных направления вращения топ-кварка и его античастицы формируют аналог нулей и единиц в квантовом бите, а сам механизм их рождения можно представить как операцию над этими состояниями. Как отмечает Алан Барр из Оксфорда, установка, созданная для поиска новой физики, неожиданно даёт ответы на вопросы о природе квантовой информации .
На этом фоне привлёк внимание результат, объявленный коллаборацией CMS весной. Учёные изучили величину, которую специалисты по квантовым вычислениям называют «магией». Этот параметр показывает, насколько трудно классическому компьютеру имитировать динамику запутанных состояний. В области квантовых алгоритмов такие состояния служат тем самым «топливом», без которого невозможно получить преимущество по скорости. Физики Мартин и Крис Уайт предложили способ оценить магию в ансамбле топ-кварков, и именно их идея легла в основу анализа данных CMS.
Чтобы понять, насколько структура пары отличается от легко моделируемых стабилизаторных состояний, исследователи восстановили матрицу спиновых корреляций в трёх направлениях. На её основе вычисляется степень магии. Оказалось, что пары действительно обладают этим свойством в заметной степени. Впервые концепция, долго существовавшая только в работах по квантовым алгоритмам, проявилась в экспериментах по физике частиц.
Анализ привёл и к неожиданному открытию. В ряде событий уровень запутанности был настолько высок, что пара начинала вести себя как единый объект. Такое состояние называют «топонием»: о возможности его существования говорили ещё в 1990-х годах, но считалось, что оно слишком трудноуловимо для LHC. Тем не менее детальное изучение спинов позволило выделить такие конфигурации. CMS сообщила о результате в марте, а ATLAS подтвердил его в июле.
Полученные данные открывают несколько новых направлений. Одно из них касается судьбы запутанности после распада: будут ли дочерние частицы сохранять связь с античастицей исходного кварка? Теория утверждает, что да, но прямых проверок пока не проводилось. Другая тема касается перехода от квантовой неопределённости к определённому состоянию. До распада топ-кварк находится в суперпозиции возможных направлений спина, а его продукты вылетают уже по траектории, соответствующей одному из вариантов — словно сам процесс превращения вынуждает частицу «выбрать» направление. Это даёт редкую возможность изучить, как квантовая система приобретает конкретные свойства.
Есть и более амбициозные идеи. Регина Демина из университета Рочестера рассматривает возможность проверить в условиях коллайдера механизм Пейджа—Вуттерса, согласно которому ощущение течения времени может возникать благодаря запутанности между наблюдаемым объектом и неким «квантовым хронометром». Эффект обсуждался теоретиками десятилетиями и однажды был показан в оптическом эксперименте. Учёная надеется, что подобную демонстрацию удастся провести и на уровне элементарных частиц.
Новый подход вызывает не только поддержку, но и споры. Герберт Драйнер из Бонна отмечает, что при восстановлении направления спина по дочерним частицам исследователи всё равно используют квантовую механику, а значит, полностью проверить её на этом пути невозможно. Дискуссия продолжается, но, как считают многие специалисты, сама ситуация показывает: спустя семнадцать лет работы коллайдера у него появляются новые задачи. Помимо поиска редких частиц на первый план выходят вопросы о том, как устроена квантовая информация и как её можно изучать в условиях высоких энергий.
Несмотря на сомнения, энтузиазм не исчезает. Как говорит Марсель Вос из ATLAS, стоит потянуть за новую ниточку — и может открыться область квантовой физики, о существовании которой раньше никто не догадывался.
В тоннелях Большого адронного коллайдера каждую секунду происходят десятки миллионов столкновений протонов. В этом потоке рождённых частиц нередко появляется топ-кварк и его античастица — самые тяжёлые элементы стандартной модели. Их существование длится ничтожно мало, намного меньше триллионной доли триллионной доли секунды. Но даже за это мгновение успевает проявиться характерная черта квантовой механики: такие пары возникают в состоянии запутанности . Это значит, что если одна частица «выбирает» направление собственного спина, вторая тут же принимает противоположное.
Эта особенность важна ещё и потому, что большинство кварков успевают образовать составные частицы почти сразу, и их индивидуальные параметры становятся недоступны. Топ-кварк же распадается раньше, чем связывается с соседями, и его продукты сохраняют информацию о исходном спине. Благодаря этому детекторы LHC могут «прочитать» следы квантовой взаимосвязанности напрямую — редкая возможность для физики высоких энергий.
Первое чёткое измерение взаимных корреляций внутри таких пар выполнил эксперимент ATLAS в 2023 году . После этого появилась целая серия работ, в которых столкновения протонов стали рассматривать как своеобразный квантовый вычислительный процесс. Два возможных направления вращения топ-кварка и его античастицы формируют аналог нулей и единиц в квантовом бите, а сам механизм их рождения можно представить как операцию над этими состояниями. Как отмечает Алан Барр из Оксфорда, установка, созданная для поиска новой физики, неожиданно даёт ответы на вопросы о природе квантовой информации .
На этом фоне привлёк внимание результат, объявленный коллаборацией CMS весной. Учёные изучили величину, которую специалисты по квантовым вычислениям называют «магией». Этот параметр показывает, насколько трудно классическому компьютеру имитировать динамику запутанных состояний. В области квантовых алгоритмов такие состояния служат тем самым «топливом», без которого невозможно получить преимущество по скорости. Физики Мартин и Крис Уайт предложили способ оценить магию в ансамбле топ-кварков, и именно их идея легла в основу анализа данных CMS.
Чтобы понять, насколько структура пары отличается от легко моделируемых стабилизаторных состояний, исследователи восстановили матрицу спиновых корреляций в трёх направлениях. На её основе вычисляется степень магии. Оказалось, что пары действительно обладают этим свойством в заметной степени. Впервые концепция, долго существовавшая только в работах по квантовым алгоритмам, проявилась в экспериментах по физике частиц.
Анализ привёл и к неожиданному открытию. В ряде событий уровень запутанности был настолько высок, что пара начинала вести себя как единый объект. Такое состояние называют «топонием»: о возможности его существования говорили ещё в 1990-х годах, но считалось, что оно слишком трудноуловимо для LHC. Тем не менее детальное изучение спинов позволило выделить такие конфигурации. CMS сообщила о результате в марте, а ATLAS подтвердил его в июле.
Полученные данные открывают несколько новых направлений. Одно из них касается судьбы запутанности после распада: будут ли дочерние частицы сохранять связь с античастицей исходного кварка? Теория утверждает, что да, но прямых проверок пока не проводилось. Другая тема касается перехода от квантовой неопределённости к определённому состоянию. До распада топ-кварк находится в суперпозиции возможных направлений спина, а его продукты вылетают уже по траектории, соответствующей одному из вариантов — словно сам процесс превращения вынуждает частицу «выбрать» направление. Это даёт редкую возможность изучить, как квантовая система приобретает конкретные свойства.
Есть и более амбициозные идеи. Регина Демина из университета Рочестера рассматривает возможность проверить в условиях коллайдера механизм Пейджа—Вуттерса, согласно которому ощущение течения времени может возникать благодаря запутанности между наблюдаемым объектом и неким «квантовым хронометром». Эффект обсуждался теоретиками десятилетиями и однажды был показан в оптическом эксперименте. Учёная надеется, что подобную демонстрацию удастся провести и на уровне элементарных частиц.
Новый подход вызывает не только поддержку, но и споры. Герберт Драйнер из Бонна отмечает, что при восстановлении направления спина по дочерним частицам исследователи всё равно используют квантовую механику, а значит, полностью проверить её на этом пути невозможно. Дискуссия продолжается, но, как считают многие специалисты, сама ситуация показывает: спустя семнадцать лет работы коллайдера у него появляются новые задачи. Помимо поиска редких частиц на первый план выходят вопросы о том, как устроена квантовая информация и как её можно изучать в условиях высоких энергий.
Несмотря на сомнения, энтузиазм не исчезает. Как говорит Марсель Вос из ATLAS, стоит потянуть за новую ниточку — и может открыться область квантовой физики, о существовании которой раньше никто не догадывался.
- Источник новости
- www.securitylab.ru
