מהר יותר ממהירות האור: העברת מידע באמצעות "פעולה מפחידה מרחוק" במאיץ ההדרון הגדול

חוקרים אישרו שהסתבכות קוונטית נמשכת בין הקווארקים העליונים, חלקיקי היסוד הכבדים ביותר הידועים.

פיזיקאים הדגימו הסתבכות קוונטית בקווארקים העליונים ושותפיהם אנטי-חומר, תגלית שהתגלתה ב CERN. ממצא זה מרחיב את התנהגותם של חלקיקים מסתבכים למרחקים מעבר להישג ידה של תקשורת במהירות האור ופותח אפיקים חדשים לחקר מכניקת הקוונטים באנרגיות גבוהות.

ניסוי של קבוצת פיזיקאים בראשות הפרופסור לפיזיקה מאוניברסיטת רוצ'סטר, רגינה דמינה, הביא לתוצאה משמעותית הקשורה להסתבכות קוונטית – אפקט שאלברט איינשטיין כינה "פעולה מפחידה ממרחק".

הסתבכות נוגעת להתנהגות מתואמת של חלקיקים זעירים שקיימו אינטראקציה אך לאחר מכן התרחקו. מדידת תכונות – כמו מיקום או תנע או ספין – של אחד מצמד החלקיקים המופרדים משנה מיידית את התוצאות של החלקיק השני, לא משנה כמה רחוק החלקיק השני נסחף מהתאום שלו. למעשה, מצבו של חלקיק מסובך אחד, או קיוביט, אינו ניתן להפרדה מהאחר.

פריצת דרך בפיזיקה של חלקיקים

הסתבכות קוונטית נצפתה בין חלקיקים יציבים, כגון פוטונים או אלקטרונים.

אבל דמינה וקבוצתה פרצו דרך בכך שהם מצאו, בפעם הראשונה, הסתבכות שנמשכת בין קווארקים עליונים לא יציבים לבין שותפיהם אנטי-חומר במרחקים רחוקים ממה שניתן לכסות על ידי מידע המועבר במהירות האור. באופן ספציפי, החוקרים צפו במתאם ספין בין החלקיקים.

לפיכך, החלקיקים הדגימו את מה שאיינשטיין תיאר כ"פעולה מפחידה מרחוק".

'שדרה חדשה' לחקר קוונטים

הממצא דווח על ידי ה-Compact Muon Solenoid (CMS) Collaboration במרכז האירופי למחקר גרעיני, או CERN, שבו נערך הניסוי.

"אישור ההסתבכות הקוונטית בין חלקיקי היסוד הכבדים ביותר, הקווארקים העליונים, פתחה שדרה חדשה לחקור את הטבע הקוונטי של העולם שלנו באנרגיות הרבה מעבר למה שנגיש", נכתב בדו"ח.

CERN, הממוקמת ליד ז'נבה, שוויץ, היא המעבדה הגדולה בעולם לפיזיקת חלקיקים. ייצור של קווארקים עליונים דורש אנרגיות גבוהות מאוד הנגישות במאיץ ההדרונים הגדול (LHC), המאפשר למדענים לשלוח חלקיקים בעלי אנרגיה גבוהה המסתובבים סביב מסילה תת-קרקעית של 17 מיילים קרוב למהירות האור.

מדע מידע קוונטי ויישומים עתידיים

תופעת ההסתבכות הפכה לבסיס של תחום מתפתח של מדע מידע קוונטי שיש לו השלכות רחבות בתחומים כמו קריפטוגרפיה ו מחשוב קוונטי.

קווארקים עליונים, כל אחד כבד כמו אָטוֹם של זהב, ניתן לייצר רק במאגרים, כמו LHC, ולכן לא סביר שישמשו לבניית מחשב קוונטי. אבל מחקרים כמו אלה שערכו דמינה וקבוצתה יכולים לשפוך אור על כמה זמן ההסתבכות נמשכת, בין אם היא מועברת ל"בנות" של החלקיקים או לתוצרי ריקבון, ומה, אם בכלל, בסופו של דבר שובר את ההסתבכות.

תיאורטיקנים מאמינים כי היקום היה במצב סבוך לאחר שלב ההתפשטות המהירה הראשונית שלו. התוצאה החדשה שנצפו על ידי דמינה וחוקריה יכולה לעזור למדענים להבין מה הוביל לאובדן הקשר הקוונטי בעולמנו.

קווארקים מובילים במערכות יחסים קוונטיות למרחקים ארוכים

דמינה הקליטה סרטון לערוצי המדיה החברתית של CMS כדי להסביר את התוצאה של הקבוצה שלה. היא השתמשה באנלוגיה של מלך לא החלטי של ארץ רחוקה, שאותו כינתה "קינג טופ".

המלך טופ מקבל הודעה שפלשים לארצו, אז הוא שולח שליחים להגיד לכל בני ארצו להתכונן להגן. אבל אז, מסביר דמינה בסרטון, הוא משנה את דעתו ושולח שליחים להורות לאנשים להתייצב.

"הוא ממשיך להסתובב ככה, ואף אחד לא יודע מה תהיה ההחלטה שלו ברגע הבא", אומר דמינה.

אף אחד, ממשיכה דמינה ומסבירה, מלבד מנהיג כפר אחד בממלכה הזו שמכונה "אנטי-טופ".

"הם מכירים זה את המצב הנפשי של זה בכל רגע בזמן", אומרת דמינה.

קבוצת המחקר של דמינה מורכבת מעצמה ומהסטודנט לתואר שני אלן הררה ומעמית פוסט-דוקטורט אוטו הינדריץ'.

כסטודנטית לתואר שני, דמינה הייתה בצוות שגילה את הקווארק העליון ב-1995. מאוחר יותר, כחבר סגל ברוצ'סטר, דמינה הובילה צוות של מדענים מרחבי ארה"ב שבנה מכשיר מעקב שמילא תפקיד מפתח ב הגילוי של בוזון היגס ב-2012 – חלקיק יסודי שעוזר להסביר את מקור המסה ביקום.

לחוקרים של רוצ'סטר יש היסטוריה ארוכה ב-CERN כחלק מ-CMS Collaboration, המפגיש פיזיקאים מרחבי העולם. לאחרונה, צוות נוסף של רוצ'סטר השיג אבן דרך משמעותית במדידת זווית הערבוב האלקטרוחלש, מרכיב מכריע במודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים, המסביר כיצד אבני הבניין של החומר מתקשרות.