Суперколлайдер сейчас используется для исследования квантовых явлений, включая «магическую» форму квантовой запутанности. Сохранить статью Прочитать позже
Введение
Девяносто миллионов раз в год, когда протоны сталкиваются друг с другом на Большом адронном коллайдере (БАК), на их обломках рождаются топ-кварк и антитоп-кварк – самые тяжёлые из известных элементарных частиц. За триллионную долю триллионной секунды до распада на более лёгкие частицы разлетаются в разные стороны. Но они остаются квантово-механически запутанными, то есть состояние каждой частицы зависит от состояния другой. Если измерить вращение топ-кварк в одном направлении, то антитоп-кварк должен вращаться в противоположном направлении.
Топ-кварки — это нечто особенное. Другие типы кварков быстро группируются, образуя составные частицы (например, нейтроны), прежде чем детекторы БАК успевают зарегистрировать их состояния. Но топ-кварки распадаются до того, как объединяются с другими кварками. Частицы, на которые они распадаются, содержат информацию об их спинах — наблюдаемый отпечаток их запутанности.
Эксперимент ATLAS на Большом адронном коллайдере впервые измерил корреляции между топ- и антитоп-кварками в 2023 году. За этим последовал целый ряд дальнейших измерений запутанности.
Подобные усилия – новинка в стенах Большого адронного коллайдера. Спустя семнадцать лет после запуска машины физики, изучающие элементарные частицы, понимают, что могут использовать коллайдер для исследования потоков информации в квантовых системах – вопроса, лежащего в основе квантовых вычислений. Два возможных спина кварков соответствуют состояниям 0 и 1 кубита, единицы квантовой информации. «Это трактовка процесса столкновения частиц и образования новых частиц как квантового процессора», – сказал Алан Барр, физик из Оксфордского университета, работающий над экспериментом ATLAS. «Можно исследовать целый ряд вопросов, для решения которых коллайдеры изначально не были предназначены, но которые они вполне способны решить».
Такое сближение квантовой теории информации и физики элементарных частиц «действительно является новым направлением», — сказала Регина Демина, физик из Рочестерского университета, работающая над экспериментом CMS на Большом адронном коллайдере. «Сейчас это похоже на золотую лихорадку».
Один из самых интересных результатов был получен этой весной, когда эксперимент CMS измерил «магию» пары топ-кварков. В квантовой теории информации магия — это свойство запутанных кубитов, которое затрудняет моделирование их состояния на классическом компьютере. Чтобы квантовые компьютеры выполняли алгоритмы быстрее классических, им необходимо снабжать запас магических состояний как своего рода «топливом».
«Люди, похоже, говорят: „Мы просто хотим найти любую квантовую систему, где в природе присутствует магия, чтобы изучать её свойства“», — сказал Мартин Уайт, физик из Университета Аделаиды, который в прошлом году вместе со своим близнецом Крисом Уайтом предложил измерение магического топ-кварка. «Этот список пополняется».
Немного магии
Квантовые компьютеры могут выполнять некоторые алгоритмы экспоненциально быстрее обычных компьютеров. Это ускорение отчасти обусловлено запутанностью, которая связывает состояния 0 и 1 различных кубитов, создавая сеть случайных возможностей. Квантовый компьютер может манипулировать всеми возможными состояниями одновременно, а не по одному.
Раньше считалось, что высокая степень запутанности между кубитами — верный способ обеспечить квантовым компьютерам преимущество в производительности. «Интуиция подсказывает, что чем выше степень запутанности, тем лучше наш квантовый компьютер», — сказал Крис Уайт из Лондонского университета королевы Марии. Однако, по его словам, «на самом деле это совершенно неверно».
В 1990-х годах прорыв в квантовой информации был достигнут благодаря доказательству теоремы Готтесмана-Книля. Эта теорема показала, что некоторые высокозапутанные квантовые состояния, называемые состояниями-стабилизаторами, можно моделировать на классическом компьютере так же эффективно, как и на квантовом. Создайте эти состояния из кубитов, и вы не увидите никакого ускорения.
В поисках квантового преимущества — способности квантового компьютера превосходить классические компьютеры в определённых задачах — физики начали искать запутанные состояния, максимально отличающиеся от состояний стабилизаторов. Такие состояния получили название «магических». («Это ужасное слово», — сказал Мартин Уайт, но спустя 20 лет его, вероятно, уже не изменить.)
В 2014 году физики нашли недостающий элемент, который обеспечивает магическим состояниям их квантовый импульс. Ключевым моментом является контекстуальность — малоизвестное свойство квантовой механики. Контекстуальность подразумевает, что результат квантового измерения будет зависеть от других свойств, измеряемых в то же время. Измеряемые свойства не являются фиксированными и ждут своего открытия; они контекстуальны. Стабилизаторные состояния являются исключением из правила — их можно рассматривать как неконтекстные и представлять, что они обладают полным набором определённых свойств в любой момент времени. Но для магических состояний контекстуальность обойти невозможно, что затрудняет их классическое моделирование.
Физики-частицы Мартин Уайт (вверху) из Университета Аделаиды в Австралии и Крис Уайт из Лондонского университета королевы Марии всегда мечтали о совместной работе. В прошлом году близнецы наконец сделали это, предложив способ обнаружить магию топ-кварков.
Физики-частицы Мартин Уайт (слева) из Университета Аделаиды в Австралии и Крис Уайт из Лондонского университета королевы Марии всегда мечтали о совместной работе. В прошлом году близнецы наконец осуществили задуманное, предложив способ обнаружить магию топ-кварков.
Исследователи квантовой информации начали искать способы создания и усиления магии в квантовых системах. Это привлекло внимание нескольких физиков-частиц, включая Мартина и Криса Уайта, которые задавались вопросом, как проявляется магия в системах элементарных частиц. «Мы думали, что БАК — это квантовая система. Топ-кварки — это квантовая система. Можем ли мы взглянуть на эту систему и просто понять, магия она или нет?» — сказал Крис Уайт.
Они предложили способ сделать это в конце 2024 года. Эта статья — их первая совместная работа. «Я был очень взволнован, когда она была опубликована. Мы хотели работать вместе долгие годы», — сказал Мартин Уайт.
Когда Демина познакомилась с братьями на конференции, они вдохновили её представить это предложение своей группе в CMS. «Они — однояйцевые близнецы, один работает в Великобритании, а другой — в Австралии. Их разнесли очень далеко друг от друга, но они всё ещё находятся в сцепленном состоянии», — размышляла она.
Чтобы постичь магию топ-кварков, CMS проанализировала огромный банк данных о столкновениях, подсчитывая спины пар топ-кварков, разлетающихся во всех направлениях. Это позволило команде заполнить так называемую спиновую корреляционную матрицу — полное описание корреляций между спинами частиц в направлениях x, y и z. С помощью этой матрицы физики вычисляют магию.
Запутанные пары кварков действительно обладали магией. Измерения CMS ознаменовали выход некогда узкоспециализированной концепции квантовых вычислений в область физики элементарных частиц.
Основная цель изучения магии — потенциальное улучшение квантовых компьютеров, а не получение новых знаний об элементарных частицах. Однако чувствительные методы, разработанные для проведения столь детальных измерений, привели к неожиданному результату: физики обнаружили, что топ-кварк и антитоп-кварк иногда были сверхзапутаны. В этих случаях кварки связывались прочно, образуя единую частицу — трудноуловимое состояние, называемое топонием. Топоний был предсказан в 1990 году, но, по словам Марселя Воса, руководителя исследовательской группы топ-кварков в ATLAS, «считалось, что это слишком тонкий эффект» для наблюдения на коллайдере, таком как LHC.
CMS и ATLAS опубликовали результаты измерений топония в марте и июле соответственно. «Это наш первый ощутимый результат», — сказал Вос.
Нити, которые нужно вытащить
Что некоторых физиков воодушевляет в новом взаимодействии физики элементарных частиц и квантовой теории информации, так это возможность использовать LHC для исследования тонких вопросов о запутанности.
Например: «Что происходит с вашей запутанной системой после распада топ-кварка? Будут ли дочерние частицы топ-кварка по-прежнему запутаны с антитоп-кварком?» — спросил Вос. «Квантовая теория поля утверждает, что так и должно быть, но никто никогда это не проверял».
Эксперименты также могут предложить новое понимание квантово-классического перехода — того, как квантовый объект переходит из неопределенного состояния в единственное определенное состояние. Это, как известно, происходит при измерении квантового объекта, но в этом случае загадка возникает, когда верхний кварк распадается на более легкие частицы. Первоначально кварк находится в неопределенном состоянии с обоими возможными направлениями спина одновременно. Когда он распадается, кварк, по-видимому, выбирает одно направление спина, и частицы, которые он генерирует, движутся в определенных направлениях в зависимости от этого выбора спина. Это как если бы верхний кварк был вынужден «измерять» свой собственный спин во время своего распада. «Математически это эквивалентно процессу проведения измерения», — сказал Барр. Это дает физикам новый взгляд на квантово-классический переход.
Демина надеется исследовать вопросы, связанные со временем. «Существует определённая теория, которая предполагает, что время не является фундаментальным свойством природы, а является эмерджентным свойством», — сказала она. Один из известных механизмов, демонстрирующих, как это может работать, был описан Доном Пейджем и Уильямом Вуттерсом в 1983 году. Они утверждали, что Вселенная в целом может быть вневременной и неизменной, в то время как наблюдатели внутри Вселенной могут воспринимать временную эволюцию. Это восприятие возникает, поскольку различные возможные пространственные конфигурации запутываются с пространственными конфигурациями объекта с некоторой периодической структурой, например, стрелки часов. Эффект был продемонстрирован с фотонами в 2013 году. «Моя мечта — провести этот эксперимент в системе элементарных частиц, чтобы продемонстрировать механизм Пейджа-Вуттерса», — сказала Демина.
Другие высказывали опасения, что эти эксперименты с топ-кварками вообще не могут служить надёжной проверкой квантовой механики. Герберт Дрейнер, физик из Боннского университета в Германии, в двух недавних препринтах утверждал, что этот подход является циклическим: для измерения запутанности необходимо связать угловое движение исходящих продуктов распада со спинами топ-кварков и антитоп-кварков. Но «чтобы перевести одно в другое, нужно использовать некую теорию», — сказал Дрейнер. «А если использовать квантовую механику, то и проверить квантовую механику невозможно».
Эти дебаты продолжаются. Для некоторых весь этот ряд экспериментов — знак того, что после 17 лет экспериментов со столкновениями на Большом адронном коллайдере нужны новые цели. «Есть ощущение, что вы постоянно ищете новые направления», — сказал Мартин Уайт.
«Скептицизм очень велик», — сказал Вос. «Тем не менее, начинаешь тянуть за ниточку и не знаешь, что получится».
Источник: www.quantamagazine.org
