Innenraum des Compact Muon Solenoid (CMS)-Experiments am Large Hadron Collider. Physiker der Universität Rochester, die an dem Detektor arbeiteten, beobachteten, dass die Spinverschränkung zwischen Up-Quarks und Up-Antiquarks über große Entfernungen und bei hohen Geschwindigkeiten anhält. Bildnachweis: CERN
Forscher haben bestätigt, dass zwischen Top-Quarks, den schwersten bekannten Elementarteilchen, weiterhin eine Quantenverschränkung besteht.
Physiker haben die Quantenverschränkung in Top-Quarks und ihren Antimaterie-Partnern nachgewiesen, eine Entdeckung, die 2011 gemacht wurde CERN. Diese Entdeckung erweitert das Verhalten verschränkter Teilchen auf Entfernungen jenseits der Reichweite der Lichtgeschwindigkeitskommunikation und eröffnet neue Wege zur Erforschung der Quantenmechanik bei hohen Energien.
Ein von einer Gruppe von Physikern unter der Leitung von Regina DeMina, Professorin für Physik an der Universität Rochester, durchgeführtes Experiment lieferte ein wichtiges Ergebnis im Zusammenhang mit der Quantenverschränkung, einem Effekt, den Albert Einstein „gruselige Fernwirkung“ nannte.
Bei der Verschränkung handelt es sich um das koordinierte Verhalten kleiner Teilchen, die interagieren und sich dann voneinander entfernen. Die Messung von Eigenschaften – wie Position, Impuls oder Spin – eines Paares getrennter Teilchen verändert sofort die Ergebnisse für das andere Teilchen, unabhängig davon, wie weit das zweite Teilchen von seinem Zwilling entfernt ist. Tatsächlich ist der Zustand eines verschränkten Teilchens oder Qubits untrennbar mit dem eines anderen verbunden.
Durchbruch in der Teilchenphysik
Zwischen stabilen Teilchen wie Photonen oder Elektronen wurde eine Quantenverschränkung beobachtet.
Aber DeMina und ihr Team betraten Neuland, indem sie zum ersten Mal herausfanden, dass die Verschränkung zwischen instabilen Top-Quarks und ihren Antimaterie-Partnern in Entfernungen besteht, die weit über dem liegen, was mit Lichtgeschwindigkeit übertragene Informationen zurücklegen können. Konkret beobachteten die Forscher die Rotationsbeziehung zwischen den Partikeln.
Daher zeigten die Teilchen das, was Einstein als „unheimliche Fernwirkung“ bezeichnete.
Ein „neuer Weg“ zur Quantenforschung
Dieser Befund wurde von der Compact Muon Solenoid (CMS) Collaboration am Europäischen Zentrum für Kernforschung (CERN) gemeldet, wo das Experiment durchgeführt wurde.
„Die Bestätigung der Quantenverschränkung zwischen den schwersten fundamentalen Teilchen, den Top-Quarks, hat einen neuen Weg zur Erforschung der Quantennatur unserer Welt bei Energien eröffnet, die weit über dem zugänglichen Bereich liegen“, heißt es in dem Bericht.
Das CERN liegt in der Nähe von Genf in der Schweiz und ist das weltweit größte Labor für Teilchenphysik. Die Herstellung von Top-Quarks erfordert sehr hohe Energien, die am Large Hadron Collider (LHC) zugänglich sind. Dadurch können Wissenschaftler hochenergetische Teilchen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit auf einer 17 Meilen langen Umlaufbahn unter der Erde befördern.
Quanteninformationswissenschaft und zukünftige Anwendungen
Das Phänomen der Verschränkung ist zur Grundlage eines aufstrebenden Bereichs der Quanteninformationswissenschaft geworden, der weitreichende Auswirkungen auf Bereiche wie Kryptographie und Quantencomputing hat. Quantitative Statistik.
Top-Quarks, von denen jedes so schwer ist wie… Mais Gold kann nur in Collidern wie dem LHC hergestellt werden und wird daher wahrscheinlich nicht für den Bau eines Quantencomputers verwendet. Aber Studien wie die von DiMenna und ihrem Team können Aufschluss darüber geben, wie lange die Verschränkung anhält, ob sie auf Teilchen-„Töchter“ oder Zerfallsprodukte übergeht und was, wenn überhaupt, letztendlich die Verschränkung auflöst.
Theoretiker gehen davon aus, dass sich das Universum nach der anfänglichen Phase der schnellen Expansion in einem verschlungenen Zustand befand. Die von DeMenna und ihren Forschern beobachteten neuen Erkenntnisse könnten Wissenschaftlern helfen zu verstehen, was zum Verlust der Quantenkommunikation in unserem Universum geführt hat.
Die wichtigsten Quarks in weitreichenden Quantenbeziehungen
Demina aufgezeichnet Video für Social-Media-Kanäle CMS Um das Ergebnis ihrer Gruppe zu erklären. Sie verwendete den Vergleich eines unentschlossenen Königs eines fernen Landes, das sie „König Top“ nannte.
König Top erhält die Nachricht, dass sein Land angegriffen wird, also schickt er Boten, um allen in seinem Land mitzuteilen, dass sie sich auf die Verteidigung vorbereiten sollen. Doch dann, erklärt DeMenna im Video, änderte er seine Meinung und schickte Boten, um den Leuten den Rücktritt zu befehlen.
„Er zappelt ständig so herum, und niemand weiß, wie seine Entscheidung im nächsten Moment ausfallen wird“, sagt DeMenna.
Demina erklärt, dass niemand außer dem Anführer eines der Dörfer in diesem Königreich namens „Anti-Top“ ist.
„Sie kennen zu jedem Zeitpunkt den Geisteszustand des anderen“, sagt DeMina.
DeMinas Forschungsgruppe besteht aus ihr selbst, dem Doktoranden Alan Herrera und dem Postdoktoranden Otto Hendricks.
Als Doktorandin gehörte DiMenna zu dem Team, das 1995 das Top-Quark entdeckte. Später, als Fakultätsmitglied an der Universität Rochester, leitete DiMina gemeinsam ein Team von Wissenschaftlern aus den gesamten Vereinigten Staaten, die ein Ortungsgerät bauten das spielte dabei eine Schlüsselrolle Entdeckung des Higgs-Bosons im Jahr 2012– Ein Elementarteilchen, das hilft, den Ursprung der Masse im Universum zu erklären.
Rochester-Forscher haben eine lange Geschichte am CERN als Teil der CMS-Kollaboration, die Physiker aus der ganzen Welt zusammenbringt. Kürzlich ein weiteres Rochester-Team Ihm gelang ein wichtiger Durchbruch bei der Messung des elektroschwachen MischungswinkelsEs ist ein entscheidendes Element des Standardmodells der Teilchenphysik, das erklärt, wie die Grundelemente der Materie interagieren.
