量子纠缠是量子力学中最神秘和最具革命性的现象之一。它描述了两个或多个粒子在相互作用后，即使分开到很远的距离，仍然能够保持一种神秘的关联。通过测量其中一个粒子的属性，另一个粒子的状态会瞬间改变，无论它们相距多远。这种现象被爱因斯坦称为“远距离的诡异行为”，因为它似乎违反了经典物理学中信息不能超光速传播的原则。最近，罗切斯特大学（2024USNews美国大学排名：47）的物理学家在欧洲核子研究中心（CERN）进行的实验中，首次发现量子纠缠在顶夸克和其反物质伙伴之间可以在远距离和高速下持续存在。这一发现不仅为量子力学的研究开辟了新的途径，也为我们理解宇宙的本质提供了新的视角。
量子纠缠在顶夸克中的发现及其意义
由罗切斯特大学物理学教授雷吉娜·德米娜（Regina Demina）领导的研究团队在大型强子对撞机（LHC）上的紧凑μ子线圈（CMS）实验中，观察到了顶夸克和顶反夸克之间的自旋纠缠。顶夸克是已知最重的基本粒子，其生产需要非常高的能量，这些能量只能在像LHC这样的对撞机中获得。德米娜的团队首次发现，顶夸克及其反物质伙伴之间的纠缠在远距离和高速下仍然存在，这一发现被称为“远距离的诡异行为”。
这一发现的重要性在于，它为探索量子世界的本质开辟了新的途径。尽管顶夸克不太可能用于构建量子计算机，但这类研究可以帮助科学家了解纠缠持续的时间、是否传递给粒子的“女儿”或衰变产物，以及最终是什么导致了纠缠的破裂。理论家认为，宇宙在初始快速膨胀阶段后处于纠缠状态。德米娜和她的团队的研究结果可能有助于科学家理解是什么导致了我们世界中量子连接的丧失。
德米娜的研究团队包括研究生艾伦·埃雷拉（Alan Herrera）和博士后奥托·欣德里希斯（Otto Hindrichs）。德米娜在1995年作为研究生参与了顶夸克的发现，后来作为罗切斯特大学的教员，她共同领导了一个团队，该团队在2012年发现了希格斯玻色子。罗切斯特大学的研究人员在CERN有着悠久的历史，最近他们在测量标准模型中一个关键参数方面取得了重要进展。
大型强子对撞机在高能物理实验中的角色
大型强子对撞机（LHC）是目前世界上最大的粒子加速器，位于瑞士和法国边境的地下。它是由欧洲核子研究中心（CERN）建造和运营的，旨在通过高能量的质子对撞来探索基本粒子的性质。LHC的建造和运行不仅是科学技术的巨大成就，也是国际合作的典范。
LHC的主要目标之一是寻找和研究希格斯玻色子，这是一种被认为赋予其他基本粒子质量的粒子。2012年，CERN的科学家们宣布发现了希格斯玻色子，这一发现被认为是粒子物理学的重大突破。除了希格斯玻色子，LHC还用于研究其他基本粒子和相互作用，如顶夸克、胶子和暗物质候选粒子。
LHC的实验不仅限于粒子物理学，还涉及宇宙学和天体物理学。例如，LHCf实验捕捉和测量从“标准”探测器如ATLAS逃逸的前向粒子，以帮助更好地理解宇宙射线。未来的对撞机，如未来环形对撞机（FCC），可能会显著提升碰撞能量，从而推动物理学的发展。
量子纠缠在量子计算中的潜在应用和局限
量子计算是利用量子力学原理进行计算的一种新型计算方式。与经典计算机不同，量子计算机利用量子比特（qubits）进行计算，量子比特可以同时处于多个状态，这使得量子计算机在处理某些复杂问题时具有巨大的潜力。量子纠缠是量子计算的核心原理之一，它允许量子比特之间进行超快速的信息传递，从而大大提高计算速度和效率。
然而，量子纠缠在实际应用中也面临许多挑战。首先，量子纠缠非常脆弱，容易受到外界环境的干扰，导致纠缠破裂，这被称为退相干现象。退相干现象是量子计算面临的主要技术难题之一。其次，量子计算机的构建和维护需要极其复杂和昂贵的设备，目前只有少数几个研究机构和公司能够进行相关研究。
尽管如此，量子计算仍然被认为是未来计算技术的革命性突破。谷歌、IBM和微软等科技巨头都在积极投资量子计算研究，试图在这一领域取得领先地位。量子计算和机器学习的结合被比作未来计算领域的“复仇者联盟”，但要实现这一目标，需要一个好的“剧情”。目前，量子机器学习仍处于探索阶段，实际应用和效果还有待观察。
量子纠缠在早期宇宙中的理论意义
量子纠缠不仅在微观世界中具有重要意义，在宇宙学中也扮演着关键角色。理论家认为，宇宙在初始快速膨胀阶段后处于纠缠状态。这一假设如果得到验证，将挑战我们对量子力学和时间本质的理解。
一项由萨里大学的Jim Al-Khalili和加州大学圣地亚哥分校的Eddy Keming Chen进行的研究提出，在宇宙最初的时刻，量子纠缠可能并不存在。这一假设被称为“纠缠过去假说”，解释了为什么时间只向一个方向流动，这在量子物理和热力学中都是一个基本概念。研究指出，量子纠缠是现代量子力学的核心，也是量子计算机处理复杂计算的关键。然而，纠缠可能会被外部影响破坏，导致退相干现象。
研究还提出了退相干时间箭头的概念，认为退相干是不可逆的，这可能是时间向前流动的根本原因。研究表明，在宇宙初期没有量子纠缠，随着宇宙演化，纠缠增加，导致更多的退相干。这一假设指向宇宙初始量子态的低熵状态。研究的影响不仅限于理论物理，还影响我们对宇宙演化和时间本质的理解。
研究还提出，低纠缠初始状态可能与低热力学熵有关，退相干箭头可能提供时间流动的更客观度量。研究的最终目标是整合纠缠过去假说和热力学过去假说，以全面理解时间。这一综合视角可能会重塑我们对宇宙时间动态的理解。研究还暗示，宇宙的终结可能不像之前认为的那样简单，退相干时间箭头表明即使在热寂之后，宇宙仍会继续演化。
综合总结
罗切斯特大学的物理学家在CERN进行的实验中，首次发现量子纠缠在顶夸克和其反物质伙伴之间可以在远距离和高速下持续存在。这一发现不仅为量子力学的研究开辟了新的途径，也为我们理解宇宙的本质提供了新的视角。大型强子对撞机在高能物理实验中的重要角色不可忽视，它为科学家提供了研究基本粒子和相互作用的独特平台。量子纠缠在量子计算中的潜在应用和局限也值得深入探讨，尽管面临许多技术挑战，但其革命性潜力不可小觑。最后，量子纠缠在早期宇宙中的理论意义为我们理解时间和宇宙演化提供了新的思路。
通过这些研究，我们不仅加深了对量子力学的理解，也为未来的科学探索奠定了基础。量子纠缠的发现和应用将继续推动科学技术的发展，揭示宇宙的更多奥秘。
参考新闻资料:
- Rochester physicists find ‘spooky action at a distance’ at CERN
- Physicists confirm quantum entanglement persists between top quarks, the heaviest known fundamental particles
- ‘I was always interested in the structure of things’: particle physicist Çiğdem İşsever on the importance of thinking about physics early – Physics World
- The AI–quantum computing mash-up: will it revolutionize science?
- Researchers’ Study Suggests That, Once Upon a Time, There Was No Entanglement
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