«عمل ارواح» انیشتین به تازگی از یکی از شدیدترین آزمایشات فیزیک جان سالم به در برده است

درهم تنیدگی کوانتومی زمانی اتفاق می‌افتد که دو ذره ویژگی‌های مشترکی را به اشتراک می‌گذارند به گونه‌ای که اندازه‌گیری یکی می‌تواند اطلاعاتی را درباره دیگری آشکار کند، حتی زمانی که ذرات از هم جدا شوند. این ارتباط یکی از غیرمعمول‌ترین ویژگی‌های مکانیک کوانتومی است و درک فیزیکدانان از واقعیت را برای دهه‌ها به چالش کشیده است.

آلبرت انیشتین درهم تنیدگی را “عمل شبح وار از راه دور” نامید و دانشمندان قبلاً این اثر را در سیستم های شامل فوتون ها، الکترون ها و یون های به دام افتاده مشاهده کرده اند. درهم تنیدگی همچنین برای چندین فناوری نوظهور از جمله رایانه‌های کوانتومی، شبکه‌های ارتباطی کوانتومی فوق‌ایمن و حسگرهای پیشرفته تبدیل شده است. به عنوان مثال، در محاسبات کوانتومی، درهم تنیدگی اجازه می دهد تا چندین کیوبیت با هم دستکاری شوند و نه یکی در یک زمان، و این امکان را فراهم می کند تا چندین محاسبات را به طور همزمان انجام دهیم.

آزمایش درهم تنیدگی کوانتومی در انرژی های شدید

چیزی که کمتر مشخص بود این بود که آیا این درهم تنیدگی می تواند در شرایط بسیار شدیدتر از جمله برخوردهای شدید ذرات پرانرژی تولید شده در سرن دوام بیاورد یا خیر.

برای بررسی این سوال، یک تیم بین المللی از آزمایش ATLAS در برخورد دهنده بزرگ هادرون (LHC) سرن در نزدیکی ژنو، سوئیس استفاده کردند. به‌جای مطالعه فوتون‌ها یا سایر سیستم‌های کوانتومی با عمر نسبتاً طولانی، محققان به دنبال درهم‌تنیدگی بین جفت‌های بوزون Z بودند، ذرات عظیمی که تنها برای کسری از ثانیه قبل از فروپاشی وجود دارند.

بوزون های Z که در این آزمایش مورد بررسی قرار گرفتند، از تجزیه بوزون هیگز، ذره ای که در LHC در سال 2012 کشف شد، می آیند. خود بوزون های هیگز زمانی تولید می شوند که پروتون هایی با سرعت 99.99 درصد نور با انرژی هایی به سیزده تریلیون الکترون ولت برخورد کنند.

بوزون‌های Z در حال فروپاشی سرنخ‌های کوانتومی به جا می‌گذارند

اگرچه بوزون‌های Z تقریباً به محض ایجاد ناپدید می‌شوند، آشکارساز ATLAS می‌تواند الکترون‌ها و میون‌های تولید شده در اثر فروپاشی آنها را به دقت اندازه‌گیری کند.

محققان زوایای ظاهر شدن این ذرات را تجزیه و تحلیل کردند و از این اطلاعات برای بازسازی اسپین های بوزون های اصلی Z استفاده کردند. این به تیم اجازه داد تا تعیین کند که آیا دو بوزون Z همبستگی های مورد انتظار از درهم تنیدگی کوانتومی را نشان می دهند یا خیر.

اندازه‌گیری‌ها شواهد محکمی مبنی بر این موضوع ارائه کردند. نتیجه یکی از بالاترین تاییدیه های انرژی درهم تنیدگی کوانتومی است که تاکنون به دست آمده است.

پروفسور آلن بار از دپارتمان فیزیک آکسفورد، یکی از نویسندگان این مطالعه، از جمله اولین محققانی بود که پیشنهاد کرد می توان از شتاب دهنده های ذرات برای مطالعه درهم تنیدگی کوانتومی در انرژی هایی بسیار بالاتر از انرژی های مورد استفاده در آزمایش های کوانتومی سنتی استفاده کرد.

بار، که در ساخت LHC نقش داشته است، تصدیق می کند که برخورد دهنده بزرگ می تواند اهدافی فراتر از جستجو برای ذرات جدید داشته باشد. ایده های او به الهام بخشیدن به آزمایش ATLAS در سال 2023 کمک کرد، که درهم تنیدگی بین جفت کوارک های برتر، سنگین ترین ذره بنیادی شناخته شده را نشان داد.

پروفسور بار گفت: “ما عادت کرده‌ایم درهم تنیدگی را چیزی ظریف بدانیم که در آزمایش‌های آزمایشگاهی با فوتون‌های منفرد دیده می‌شود. یافتن آن زنده و سالم در میان ذرات سنگین و کوتاه مدت مانند بوزون‌های Z ایجاد شده در برخی از شدیدترین برخوردهایی که می‌توانیم روی زمین ایجاد کنیم، نشان می‌دهد که این اثر کوانتومی چقدر اساسی و قدرتمند است. کامپیوترهای کوانتومی در همه جای طبیعت کار می‌کنند، حتی در انرژی‌های شدید برخورد دهنده بزرگ هادرون.

ایده‌های محاسبات کوانتومی با فیزیک ذرات ملاقات می‌کنند

این کار همچنین بخشی از تلاش گسترده‌تر برای آوردن مفاهیم از علم اطلاعات کوانتومی (زمینه محاسبات کوانتومی) به فیزیک ذرات پرانرژی است.

محققان امیدوارند با استفاده از ایده‌های توسعه‌یافته برای سیستم‌های کوانتومی روی آرایه‌های وسیع داده‌های تولید شده توسط شتاب‌دهنده‌های ذرات، راه‌های حساس‌تری برای تشخیص الگوهای ظریف ایجاد کنند. این تکنیک‌ها در نهایت می‌توانند اثراتی را نشان دهند که با درک فعلی فیزیکدانان از جهان مطابقت ندارد و به طور بالقوه سرنخ‌هایی را در مورد فیزیک فراتر از نظریه‌های موجود ارائه می‌دهند.

در دانشگاه آکسفورد، پروفسور بار یک پروژه بین‌رشته‌ای بزرگ را رهبری می‌کند که بر مبانی مکانیک کوانتومی در انرژی‌های بالا تمرکز دارد. این پروژه رفتار کوانتومی را در مقیاس‌های بسیار کوچک و انرژی‌های بسیار بالا آزمایش می‌کند، در حالی که سؤالات فلسفی مطرح شده توسط چنین آزمایش‌هایی را بررسی می‌کند، از جمله آنچه ممکن است در مورد ماهیت بنیادی واقعیت آشکار کند.

پروفسور کریس تیمپسون، همکار پروژه (دانشکده فلسفه) گفت: «درهم تنیدگی هم امیدوارکننده‌ترین و هم گیج‌کننده‌ترین جنبه واقعیت کوانتومی است؛ این آزمایش‌های برخورددهنده که درهم تنیدگی را آشکار می‌کنند، مرز جدیدی را در تحقیق در مورد مبانی مکانیک کوانتومی نشان می‌دهند».

سرن برای آزمایش‌های کوانتومی حتی عمیق‌تر آماده می‌شود

دانشمندان دانشگاه آکسفورد نیز در ارتقای مداوم آشکارساز ATLAS مشارکت دارند. انتظار می‌رود که این پیشرفت‌ها همراه با برخورددهنده بزرگ هادرونی با روشنایی بالا ارتقا یافته، مجموعه داده‌های بسیار بزرگ‌تری را فراهم کند و به فیزیکدانان فرصت‌های جدیدی برای مطالعه پدیده‌های کوانتومی در انرژی‌های شدید بدهد.

داده‌های اضافی همچنین می‌تواند به محققان اجازه دهد تا تکنیک‌های اطلاعات کوانتومی پیچیده‌تری را در فیزیک ذرات اعمال کنند و به طور بالقوه حساسیت جستجوهای آینده برای پدیده‌های ناشناخته قبلی را افزایش دهند.

پروفسور Daniela Bortoletto (گروه فیزیک، دانشگاه آکسفورد)، که هماهنگ کننده بریتانیا برای تولید ماژول ها برای سیستم پیکسل ارتقا یافته آشکارساز ATLAS است، گفت: “این اندازه گیری قدرت علمی همکاری ATLAS و قابلیت های منحصر به فرد CERN را نشان می دهد که این رویکردهای جدید هادرون در توسعه دهنده نقش برجسته Odronx در تحقیقات انجام شده است. در حال مطالعه پدیده‌های کوانتومی در بالاترین انرژی‌ها، و ما مفتخریم که در تلاشی بین‌المللی که راه‌های جدیدی برای کشف قوانین اساسی طبیعت کشف می‌کند، مشارکت می‌کنیم.”

مطالعه “Measurements of Z-Boson Pair Entanglement در واپاشی بوزون هیگز در آزمایش ATLAS” در منتشر شده است. نامه معاینه فیزیکی.