Ta zmiana filozofii eksperymentów otwiera zupełnie nowy rozdział w fizyce wysokich energii. Fizycy zaczęli traktować zderzenia protonów w LHC jak operacje na kubitach, badając w ten sposób przepływ informacji w skomplikowanych systemach kwantowych. Marina Demina z University of Rochester porównuje panujące obecnie nastroje do gorączki złota, gdzie każdy chce znaleźć kolejne, nieoczekiwane zastosowanie dla istniejącej już infrastruktury.
Kwarki wysokie pełnią funkcję naturalnych kubitów
Kluczem do tych badań okazały się kwarki wysokie, najcięższe znane cząstki elementarne. Mają one unikalną cechę, która czyni je idealnymi obiektami do badania zjawisk kwantowych. Rozpadają się one tak szybko, że nie zdążą połączyć się z innymi kwarkami, dzięki czemu informacja o ich spinie – swego rodzaju wewnętrznej orientacji – pozostaje zachowana. Na swój sposób pozwala to na „zamrożenie” stanu kwantowego na wystarczająco długo, by zaobserwować zjawiska, jak splątanie, które w innych warunkach zanikają w niezmiernie krótkim czasie. W 2023 roku eksperyment ATLAS po raz pierwszy zmierzył na tyle silną korelację między kwarkiem wysokim i antykwarkiem wysokim, by potwierdzić ich splątanie.
Czytaj także: Nowe odkrycie w świecie kwarków. To prawdziwe wrota do wiedzy o początkach wszechświata
Czym jest owa kwantowa magia?
Sam termin „magia” może brzmieć dziwacznie. W ścisłym, technicznym języku kwantowej teorii informacji „magia” oznacza jednak bardzo konkretną własność silnie splątanych kubitów. Chodzi o taki rodzaj splątania, który sprawia, że symulacja takiego stanu na zwykłym, klasycznym komputerze jest wyjątkowo trudna, praktycznie niewykonalna przy większej skali. Historia tego pojęcia sięga lat 90., gdy okazało się, że niektóre silnie splątane stany, zwane stanami stabilizującymi, da się symulować na komputerze klasycznym równie efektywnie jak na kwantowym. Jak wyjaśnia Chris White, błędne byłoby założenie, że im więcej splątania, tym lepszy komputer kwantowy. Kluczowa okazała się inna cecha, odkryta w 2014 roku – kontekstualność. Oznacza ona, że wynik pomiaru własności kwantowej zależy od kontekstu, czyli od tego, jakie inne wielkości mierzymy jednocześnie. To właśnie kontekstualność nadaje „magicznym” stanom ich wyjątkową moc obliczeniową.
Przełomowe obserwacje w CERN
Pod koniec 2024 roku naukowcy Martin i Chris White zaproponowali metodę wykrycia tej „magii” właśnie w kwarkach wysokich. Jak wspomina Chris, ich rozumowanie było proste: LHC to system kwantowy, kwarki wysokie też są systemem kwantowym, więc warto sprawdzić, czy między nimi występuje owa magiczna własność. Wiosną 2025 roku eksperyment CMS potwierdził ich przewidywania.
Najciekawsze okazało się jednak coś innego. Pomiary ujawniły, że pary kwarków wysokich i antykwarków wysokich bywały czasem nadmiernie splątane, tworząc w efekcie związaną cząstkę zwaną toponium. Jej istnienie przewidziano teoretycznie już w 1990 roku, ale uważano ten efekt za zbyt subtelny, by dało się go zaobserwować w LHC. Zarówno CMS, jak i ATLAS ogłosiły swoje pomiary toponium w 2025 roku, co stanowi pierwszy namacalny, choć niezamierzony, skutek poszukiwań kwantowej magii w akceleratorze.
Czytaj także: Pierwsza taka obserwacja. Uchwycono cztery kwarki jednocześnie
Dalsze eksperymenty mogą dotknąć jeszcze bardziej fundamentalnych kwestii. Badacze zastanawiają się na przykład, co dzieje się ze splątaniem po rozpadzie kwarka t – czy produkty jego rozpadu wciąż pozostają splątane z antykwarkiem t? Kwantowa teoria pola sugeruje, że tak, ale nikt tego dotąd nie zweryfikował eksperymentalnie.
Warto tutaj także wspomnieć o krytyce całego podejścia. Herbert Dreiner uważa np. że aby przełożyć sygnały z detektorów LHC na informacje o kwarkach, i tak trzeba użyć równań mechaniki kwantowej. Jeśli więc używamy tej teorii do interpretacji danych, to w jaki sposób mielibyśmy jednocześnie testować jej podstawy? Pytań jest tutaj więcej, niż odpowiedzi.