В тоннелях Большого адронного коллайдера каждую секунду происходят десятки миллионов столкновений протонов. В этом потоке рождённых частиц нередко появляется топ-кварк и его античастица — самые тяжёлые элементы стандартной модели. Их существование длится ничтожно мало, намного меньше триллионной доли триллионной доли секунды. Но даже за это мгновение успевает проявиться характерная черта квантовой механики: такие пары возникают в состоянии запутанности. Это значит, что если одна частица «выбирает» направление собственного спина, вторая тут же принимает противоположное.
Эта особенность важна ещё и потому, что большинство кварков успевают образовать составные частицы почти сразу, и их индивидуальные параметры становятся недоступны. Топ-кварк же распадается раньше, чем связывается с соседями, и его продукты сохраняют информацию о исходном спине. Благодаря этому детекторы LHC могут «прочитать» следы квантовой взаимосвязанности напрямую — редкая возможность для физики высоких энергий.
Первое чёткое измерение взаимных корреляций внутри таких пар выполнил эксперимент ATLAS в 2023 году. После этого появилась целая серия работ, в которых столкновения протонов стали рассматривать как своеобразный квантовый вычислительный процесс. Два возможных направления вращения топ-кварка и его античастицы формируют аналог нулей и единиц в квантовом бите, а сам механизм их рождения можно представить как операцию над этими состояниями. Как отмечает Алан Барр из Оксфорда, установка, созданная для поиска новой физики, неожиданно даёт ответы на вопросы о природе квантовой информации.
На этом фоне привлёк внимание результат, объявленный коллаборацией CMS весной. Учёные изучили величину, которую специалисты по квантовым вычислениям называют «магией». Этот параметр показывает, насколько трудно классическому компьютеру имитировать динамику запутанных состояний. В области квантовых алгоритмов такие состояния служат тем самым «топливом», без которого невозможно получить преимущество по скорости. Физики Мартин и Крис Уайт предложили способ оценить магию в ансамбле топ-кварков, и именно их идея легла в основу анализа данных CMS.
Чтобы понять, насколько структура пары отличается от легко моделируемых стабилизаторных состояний, исследователи восстановили матрицу спиновых корреляций в трёх направлениях. На её основе вычисляется степень магии. Оказалось, что пары действительно обладают этим свойством в заметной степени. Впервые концепция, долго существовавшая только в работах по квантовым алгоритмам, проявилась в экспериментах по физике частиц.
Анализ привёл и к неожиданному открытию. В ряде событий уровень запутанности был настолько высок, что пара начинала вести себя как единый объект. Такое состояние называют «топонием»: о возможности его существования говорили ещё в 1990-х годах, но считалось, что оно слишком трудноуловимо для LHC. Тем не менее детальное изучение спинов позволило выделить такие конфигурации. CMS сообщила о результате в марте, а ATLAS подтвердил его в июле.
Полученные данные открывают несколько новых направлений. Одно из них касается судьбы запутанности после распада: будут ли дочерние частицы сохранять связь с античастицей исходного кварка? Теория утверждает, что да, но прямых проверок пока не проводилось. Другая тема касается перехода от квантовой неопределённости к определённому состоянию. До распада топ-кварк находится в суперпозиции возможных направлений спина, а его продукты вылетают уже по траектории, соответствующей одному из вариантов — словно сам процесс превращения вынуждает частицу «выбрать» направление. Это даёт редкую возможность изучить, как квантовая система приобретает конкретные свойства.
Есть и более амбициозные идеи. Регина Демина из университета Рочестера рассматривает возможность проверить в условиях коллайдера механизм Пейджа—Вуттерса, согласно которому ощущение течения времени может возникать благодаря запутанности между наблюдаемым объектом и неким «квантовым хронометром». Эффект обсуждался теоретиками десятилетиями и однажды был показан в оптическом эксперименте. Учёная надеется, что подобную демонстрацию удастся провести и на уровне элементарных частиц.
Новый подход вызывает не только поддержку, но и споры. Герберт Драйнер из Бонна отмечает, что при восстановлении направления спина по дочерним частицам исследователи всё равно используют квантовую механику, а значит, полностью проверить её на этом пути невозможно. Дискуссия продолжается, но, как считают многие специалисты, сама ситуация показывает: спустя семнадцать лет работы коллайдера у него появляются новые задачи. Помимо поиска редких частиц на первый план выходят вопросы о том, как устроена квантовая информация и как её можно изучать в условиях высоких энергий.
Несмотря на сомнения, энтузиазм не исчезает. Как говорит Марсель Вос из ATLAS, стоит потянуть за новую ниточку — и может открыться область квантовой физики, о существовании которой раньше никто не догадывался.