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爱因斯坦曾把量子纠缠称作“鬼魅般的超距作用”:两个粒子,即使相隔遥远,测量其中一个,就能知道另一个的信息。
过去,科学家在光子、电子和囚禁离子的系统里,都观察到了它。可那些,都是相对“温柔”的实验室场景。
现在,英国牛津大学的物理学家,参与了一项发表在《物理评论快报》上的研究。
他们在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机里,发现了Z玻色子之间纠缠的有力证据。这是量子纠缠在最高能量下的确认之一。
纠缠是什么:一场“心有灵犀”的量子游戏
量子纠缠,发生在两个粒子共享某些性质的时候。
此时对其中一个的测量,就能揭示另一个的信息,即使它们相隔很远。这是量子力学最违反直觉的特征之一,几十年来一直挑战着物理学家对现实的理解。
可以想象一对“心有灵犀”的骰子:无论相隔多远,一个掷出什么,另一个的结果都与它有着奇妙的关联。这只是一个粗略的比喻。纠缠不只是奇闻,它已成为量子计算机、超安全量子通信网络和先进传感器等新兴技术的核心。
比如在量子计算里,纠缠让多个量子比特可以被一起操控,而不是一个一个来,从而能同时进行多项计算。
在“最狂暴”的地方找纠缠:Z玻色子
但一个问题一直不太清楚:纠缠能不能在更极端的条件下存活,包括欧洲核子研究中心里那种狂暴的高能粒子碰撞?
为了回答,一支国际团队使用了位于瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机上的ATLAS实验。他们没有研究光子这类相对长寿的量子系统,而是寻找一对Z玻色子之间的纠缠。
Z玻色子是质量很大的粒子,只存在极短的一瞬间,就会衰变。实验中的Z玻色子,来自希格斯玻色子的衰变,而希格斯玻色子正是2012年在这台对撞机上发现的粒子。
希格斯玻色子可以短暂地衰变成两个Z玻色子,而Z玻色子又衰变成电子或μ子对。
而希格斯玻色子,是以99.99%光速运动的质子,在高达13万亿电子伏特的能量下碰撞产生的。
从“碎片”反推“自旋”:实验怎么做
虽然Z玻色子几乎一产生就消失,但ATLAS探测器能精确测量它们衰变产生的电子和μ子。
研究人员分析这些粒子飞出的角度,并据此重建原来两个Z玻色子的自旋。这样,就能判断两个Z玻色子,是否表现出量子纠缠所预期的关联。
测量结果提供了它们确实纠缠的有力证据。这是迄今在最高能量下对量子纠缠的确认之一。
打个比方,这就像通过烟花散开的方向,反推烟花壳里原来是怎样排布的。
论文共同作者、牛津大学物理系的艾伦·巴尔教授,是最早提出用粒子对撞机来研究纠缠的研究者之一。他的想法,启发了2023年的一次ATLAS实验,那次实验证明了顶夸克对之间的纠缠,顶夸克是已知最重的基本粒子。
量子信息遇上粒子物理:下一步是什么
巴尔教授说,我们习惯认为,纠缠是脆弱的,是在单光子的实验室实验中看到的。
在Z玻色子这样又重又短命、又诞生于地球上最狂暴碰撞之一的粒子中,发现它依然“活得好好的”,说明这种量子效应,是多么基本、多么稳健。
这项工作,也是把量子信息科学的概念,引入高能粒子物理的更大努力的一部分。通过把为量子系统发展出来的思想,用于对撞机产生的巨大数据集,研究人员希望创造出更灵敏的方式,来探测细微的模式。
牛津大学还联合领导着一个跨学科的大项目,专注于高能量下的量子力学基础,同时也审视这类实验引发的哲学问题。
项目联合负责人、哲学系的克里斯·廷普森教授说,纠缠是量子现实中最有前景、也最令人困惑的方面,这些对撞机实验探测到纠缠,标志着研究量子力学基础的一个新前沿。
与升级后的高亮度大型强子对撞机一起,ATLAS探测器的改进,预计将提供大得多的数据集,给物理学家提供在极端能量下研究量子现象的新机会。
也许正规的股票配资平台什么样,量子世界的“鬼魅”,并没有随着能量升高而消失,反而在最狂暴的地方,依然稳稳地存在。
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