Wielki Zderzacz Hadronów jako procesor kwantowy
Co roku w zderzeniach protonów wewnątrz 27-kilometrowego tunelu powstaje około dziewięćdziesiąt milionów par najcięższych znanych cząstek elementarnych – kwarków górnych i antykwarków górnych. Ich życie jest niezwykle krótkie, wszak trwa zaledwie ułamki sekundy, lecz to wystarczający czas, aby te mikroskopijne obiekty zdążyły się ze sobą splątać kwantowo. To właśnie to zjawisko, nieuchwytne i trudne do bezpośredniego badania, stało się nowym celem naukowców. Kwarki górne są wyjątkowe w świecie cząstek. Rozpadają się tak szybko, że nie formują większych struktur, takich jak protony czy neutrony. Dzięki temu pozostawiają po sobie wyraźny ślad, swego rodzaju kwantowy „odcisk palca”, który można przeanalizować. Dwa możliwe stany ich spinu doskonale nadają się do odwzorowania zer i jedynek kubitu, czyli podstawowej jednostki informacji kwantowej.
Czytaj też: Ani bozony, ani fermiony. Ta nieznana cząstka może wywrócić fizykę do góry nogami
Traktuje się proces zderzania rzeczy i tworzenia nowych cząstek jako procesor kwantowy. Można badać zupełnie inny zestaw pytań, do których zderzacze nie były pierwotnie zaprojektowane, ale są bardzo zdolne do ich rozwiązania – zauważa Chris White z University of Oxford
Przełom nastąpił w 2023 roku, gdy eksperyment ATLAS po raz pierwszy wykrył splątanie między kwarkami top. Marina Demina z University of Rochester porównała późniejszy wysyp badań na tym polu do „gorączki złota”, podkreślając niespodziewaną konwergencję kwantowej teorii informacji i fizyki wysokich energii.
Czym jest kwantowa magia?
W języku informatyki kwantowej „magia” to nie poetycka przenośnia, lecz ścisły termin techniczny. Określa ona szczególną właściwość splątanych kubitów, która sprawia, że ich stanów nie da się w praktyce zasymulować na zwykłym, klasycznym komputerze. To właśnie te „magiczne stany” są uważane za niezbędne paliwo dla przyszłych komputerów kwantowych, które miałyby znacząco przewyższyć dzisiejsze maszyny. Przez długi czas panowało przekonanie, że im większe splątanie, tym większa moc obliczeniowa. To intuicyjne założenie obaliło twierdzenie Gottesmana-Knilla z lat 90., które pokazało, że nawet wysoce splątane stany, zwane stabilizatorami, da się symulować klasycznie.
Prawdziwa „magia” kryje się w kontekstowości – mniej znanej cesze mechaniki kwantowej, formalnie opisanej w 2014 roku. Mówi ona, iż wynik pomiaru własności kwantowej zależy od tego, jakie inne pomiary wykonujemy jednocześnie. To ta właśnie właściwość ma napędzać przewagę kwantową. Pod koniec 2024 roku bracia Martin i Chris White zaproponowali konkretną metodę wykrywania tej magii w parach kwarków górnych.
Wiosenne pomiary i niespodziewany efekt uboczny
Wiosną tego roku zespół badawczy związany z eksperymentem CMS dokonał kluczowej analizy. Przejrzano ogromny zbiór danych ze zderzeń, skrupulatnie zliczając skorelowane spiny par kwark górny-antykwark górny. Obliczenia potwierdziły obecność „magii” w macierzach korelacji. Było to pierwsze bezpośrednie przeniesienie koncepcji z obszaru obliczeń kwantowych na grunt fizyki cząstek elementarnych. Co ciekawe, te szczegółowe pomiary przyniosły nieplanowany, ale niezwykle cenny rezultat. Fizycy zaobserwowali, iż w części przypadków kwark i antykwark były ze sobą tak silnie powiązane, że zachowywały się niemal jak pojedyncza cząstka. To właśnie nieuchwytne toponium, stan teoretycznie przewidziany już w 1990 roku, lecz uznawany za zbyt subtelny, by dało się go zaobserwować w LHC.
Czytaj też: Pierwszy raz w historii! W Wielkim Zderzaczu Hadronów zderzyły się protony z tlenem
Tymczasem zarówno CMS, jak i ATLAS opublikowały dowody na jego istnienie w połowie 2025 roku. Marcel Vos z zespołu ATLAS nazwał to „pierwszym namacalnym efektem ubocznym” nowej linii badań. Głównym celem była przecież nie nowa cząstka, a lepsze zrozumienie zasobów potrzebnych do budowy komputerów kwantowych. Nowe podejście rodzi cały wachlarz fundamentalnych pytań. Co dzieje się ze splątaniem, gdy kwark top się rozpada? Czy produkty jego rozpadu wciąż są splątane z antykwarkiem? Kwantowa teoria pola sugeruje, że tak, ale nikt tego dotąd nie zweryfikował eksperymentalnie. Sam proces rozpadu można traktować jako pomiar, co otwiera furtkę do badania tajemniczego przejścia ze świata kwantowego do klasycznego. Nie brakuje jednak głosów powściągliwości. Herbert Dreiner z Uniwersytetu w Bonn wskazuje na pewną cykliczność rozumowania – testowanie mechaniki kwantowej za pomocą narzędzi, które same opierają się na jej prawach, może nie być w pełni miarodajne.