A topkvarkok és a kvantummágia lenyomata
Az LHC évente kilencvenmillió alkalommal ütköztet protont a gyorsítógyűrűjében. Ezek az ütközések gyakran hozzák létre a top- és antitopkvarkot, amelyek valamennyi elemi részecske közül a legnehezebbek. A keletkezésük után szinte azonnal elbomlanak könnyebb részecskékre, még mielőtt más kvarkokkal összetett részecskét alkothatnának – ez különlegessé teszi őket. Különleges helyzetük teszi lehetővé, hogy az általuk létrehozott bomlástermékekben megmaradjon a spinjük információja – így leolvasható, milyen volt a kvantumösszefonódásuk.
A 2023-as ATLAS-kísérlet mérföldkőnek számított: először mutatta ki a top- és antitopkvark-párok közötti kvantumösszefonódást. Azóta mind az ATLAS, mind a CMS kísérlet sorozatban vizsgálja ezeket a kvantumos kapcsolódásokat, újabb szintekre emelve a részecskefizika és a kvantuminformációs tudományok közötti együttműködést.
Összefonódás helyett mágikus állapotok
A qubitekkel dolgozó kvantumszámítógépek alapvető elemei az összefonódott elemi állapotok. Sokáig úgy gondolták, minél magasabb fokú az összefonódás, annál gyorsabb, erősebb egy kvantumalgoritmus. Azonban a kilencvenes években bizonyították, hogy léteznek olyan stabilizátorállapotok, amelyek bonyolult összefonódásuk ellenére klasszikus számítógépen is könnyen szimulálhatók. Ebből arra lehet következtetni, hogy nem az összefonódás, hanem a kvantummágia hozza a valódi áttörést.
A mágikus állapotokban a kvantumrendszer kimenete nem előre eldöntött, hanem mindig az adott mérési helyzettől (környezettől) függően alakul – ezt a különlegességet nevezzük kontextualitásnak. A mágikus állapotok tehát azért szimulálhatatlanok, mert folyamatosan változtatják tulajdonságaikat az aktuális mérési kontextustól függően. Amikor az LHC-nál dolgozó fizikus ikerpár, Martin és Chris White először javasolta a mágikus topkvarkok detektálását, szinte senki sem várta volna, hogy erre tényleg mód nyílik.
Mágia a részecskék között – elmélettől a felfedezésig
A két testvér javaslata alapján a CMS több hónapon át elemzett hatalmas ütközési adatokat, hogy feltérképezze, hogyan oszlanak meg a topkvark-párok spinjei különféle irányokban. A kiértékelésük során felállítottak egy úgynevezett spinkorrelációs mátrixot, amelyből következtetni lehetett a kvantummágiára. A vizsgált adatokban valóban kimutatták e mágikus tulajdonságot – a kvantumszámítógépek elméleti építőköve most először jelent meg az elemi részecskék világában.
A fizikusok legfőbb reménye, hogy hosszú távon a mágikus állapotok jobb megértése révén a kvantumszámítógépek teljesítménye is javítható lesz. Ugyanakkor a részletes mérések közben váratlan fordulat is akadt: azt tapasztalták, hogy a top- és antitopkvarkok esetenként extrém módon összefonódtak, és rövid időre egyetlen részecskévé, toponiummá rendeződtek. A toponium létét már 1990-ben megjósolták, de az volt az általános nézet, hogy ezt az LHC-hoz hasonló gyorsítókban kimutatni lehetetlen. Ami történt, az alaposan felborította az eddigi elképzeléseket.
Új irány: a kvantum és a klasszikus világ határa
A legnagyobb kérdések most a kvantumösszefonódás határaira irányulnak, például arra, mi történik a kvarkpárral, illetve a bomlástermékekkel a bomlás után. Megmarad-e az összefonódás a leányrészecskék között? A kvantumtérelmélet szerint igen, de ezt a gyakorlatban soha nem tesztelték.
Felvetődött az is, hogy a topkvarkok bomlása során pontosan mikor és hogyan „vált át” a rendszer a bizonytalan kvantumállapotból egyetlen, megfigyelhető állapotba – olyan, mintha a kvark a bomlás pillanatában saját spinjét mérné meg. Ez új nézőpontból mutatja meg, miként megy végbe a kvantum-klasszikus átmenet.
Regina Demina, a CMS mérésének vezetője azt kutatja, hogyan jelenhet meg az idő kvantumrendszerekben. Ebből arra lehet következtetni, hogy maga az idő is egyfajta emergens tulajdonság, amely akkor bukkan elő, ha kvantumrendszerek ciklikusan ismétlődő mintázataival kötjük össze. Erre vonatkozó elméletet már 1983-ban felvetettek, nagy álma azonban, hogy ezt az LHC topkvarkjaival végre igazolhassa.
Viták és új lehetőségek
Természetesen akadnak, akik szerint még messze nem bizonyított, hogy ezek az új kísérletek valóban tesztelni tudják a kvantummechanika alapjait. Úgy érvelnek: az összefonódás méréséhez elkerülhetetlenül kvantumelméletet használunk, így a kígyó a saját farkába harap. Mindez azonban csak tovább mozgatja a fizikusokat: tizenhét évvel az LHC indulása után új kutatási célok jelennek meg, melyek a kvantuminformációs elmélet és a részecskefizika termékeny találkozásából születnek.
Egyre több az óvatos szkeptikus, de ahogyan az egyik kutató mondta: „Amikor elkezdesz egy fonalat kibogozni, sosem tudhatod, mi minden kerül elő a végén.”
