LUCA MARZOLA
Kvantinformatsiooniteooria (KIT) kirjeldab, kuidas mõjutada, üle kanda ja dekodeerida kvantsüsteemi kodeeritud informatsiooni. Kõige tavalisem on olukord, kus Alice ja Bob vahetavad kvantbittidesse kodeeritud informatsiooni, kuna pealtkuulaja Eve üritab sõnumi sisu teada saada. Kvantbitid on süsteemid, mis Schrödingeri kassina elavad kahe baasoleku – „surnud“ ja „elus“ või 0 ja 1, kui soovite – superpositsioonis. See tähendab, et erinevalt tavalistest bittidest ei ole kvantbitt ei 1 ega 0, kuni me selle väärtust pole mõõtnud. Alles siis on see 1 või 0 (selle leiulaine kollabeerub) vastava tõenäosusega, mida ennustab kvantmehaanika.
CERN-i kiirendieksperimentides ei ole aga ei Alice’it, Bobi ega Eve’i. Ainult peaaegu valguse kiiruseni kiirendatud osakestekiired, mis põrkavad üksteisega kokku sellistes detektorites nagu ATLAS või CMS. Detektorid sisuliselt pildistavad põrkes tekkinud segadikku ja füüsikud kasutavad neid pilte oma teooriate kehtivuse kontrolliks.
Te küsite, kuidas panna kokku KIT ja kiirendid. Nipp ei ole mitte Alice’i või Bobi panekus detektorisse. Vaatame näiteks t- ehk tipukvarki, mis tekkis kiirte kokkupõrkes. Kvarkidel on omadus nimetusega spinn, mis on kindla suuna suhtes kas „üles“ või „alla“, olenemata sellest, mis suuna me valime. Siin on „üles“ ja „alla“ ainult sildid, mida me kasutame, kirjeldamaks kvargi kvantolekut pärast selle spinni mõõtmist. Mis silti me kasutame, ei ole õigupoolest tähtis: ainuke oluline asi on, et iga t-kvark käitub spinni mõttes nagu kahe olekuga süsteem: kui oleme spinni ära mõõtnud, on see „üles“ või „alla“, 1 või 0. Kuna osakesed on oma loomult kvantobjektid, võimaldab spinn meil osakestest mõelda kui kvantinformatsiooniteooria kvantinfo kandjatest. „Lollus!“ ütlete teie? Kuulake mind ära.
Juba sel tasemel lubab osakeste tõlgendamine kvantinfo kandjatena meil kasutada KIT-i meetodeid kiirendieksperimentides füüsika uurimiseks. Üks tähtsamaid näiteid on kvanttomograafia: KIT tehnika, kus hulk mõõtmisi lubab meil rekonstrueerida süsteemi kvantoleku. Kiirendites on võimalik enam-vähem otse mõõta terve hulga osakeste spinni, nende seas on t-kvargid ja tau-leptonid, mis mõlemad käituvad kvantbittidena, ning W- ja Z-bosonid, mis käituvad kvanttrittidena (kolme olekuga süsteemina). Eksperimentaatorid saavad mõõdetud spinne kvanttomograafia abil kombineerida, näiteks prootonite kokkupõrkes tekkinud kvargi-antikvargi paari spinne, et nii hästi kui võimalik kirjeldada tegelikku kvantolekut. Teoreetikud omakorda saavad kvanttomograafia tulemusi iseseisvalt ennustada, lähtudes antud osakestefüüsika mudeli vastastikmõjudest ja olemasolevatest osakestest. Seega saab neid mõõtmisi kasutada, et selgitada välja, milline mudel tegelikult toimib, ja kuna võrdluse all on uuritava süsteemi kvantolek, sobib see meetod selleks eriti hästi.
KIT-i ja osakestefüüsika kummalisel kooselul on teine külg, mida võiksime kutsuda „KIT-i kõrge energia fenomenoloogiaks“. Vaatame uuesti meie kokkupõrkes tekkinud t-kvargi ja antikvargi paari. Nende osakeste spinni saame teada, analüüsides nende lagunemisel tekkinud osakeste liikumise suunda: nendeks on nn b-kvark (antikvark) ja W-boson. Lagunemisprotsess toimib seega samasuguse spinnimõõtmisena, mida Alice ja Bob teevad neile kättesaadavate kvantbittidega. Et teha kiirendites KIT-i, võime Alice’i ja Bobi mängutoomise asemel lihtsalt vaadata, kuidas kokkupõrkes tekkinud osakesed lagunevad. Tehniliselt on iga osakestepaar kaheosaline süsteem: süsteem (paar), mille moodustavad kaks alamsüsteemi (antud juhul kaks osakest, kvantbitti). See on miinimum, mida meil on vaja, uurimaks KIT-i tuumaks olevaid arusaamu, nagu kvantpõimitus või Belli võrrandite rikkumine.
Kvantpõimitus on kvantmehaanika tunnusmärk, mida Einstein ei suutnud lõpuni seedida. Ta kutsus seda „tontlikuks kaugmõjuks“ ajal, kui halloween polnud veel üldse moes! „Kaugmõju“ all mõtles ta seda, et kvantpõimituse korral on kvantsüsteemi alamsüsteemid omavahel korreleeritud olenemata sellest, kui kaugel nad üksteisest on. Teiste sõnadega võib öelda, et põimitud süsteem on enam kui selle osad, alamsüsteemid! See ehmatas Einsteini niivõrd, et tema arvates ei võinud kvantmehaanika olla looduse täielik kirjeldus. Koos kolleegidega pani ta ette alternatiivi, kus kvantmehaanika veidrused seletati ära varjatud muutujate abil: need oleksid uuritavate süsteemide omadused, mis ei ole vaatlejale tingimata kättesaadavad. Tema arvates oleks kvantbitt näiteks alati olnud 0 või 1 nagu tavaline bitt; me ainult ei teaks selle väärtust enne mõõtmist. Kvantmehaanika järgi ei ole kvantbitt ei 0 ega 1 enne, kui oleme seda mõõtnud, mispuhul leiulaine kollabeerub ja 0 või 1 realiseerub.
Teaduslik debatt kvantmehaanika ja varjatud muutujatega teooriate vahel käis 30 aastat, kuni füüsik John Stewart Bell mõtles välja katse, mis suudab nende vahel vahet teha. Võti on teatud võrratus, milles varjatud muutujatega teooriates arvutatud korrelatsioonid peavad rahuldama, kuid mida kvantmehaanika peab põimituse tõttu rikkuma. Mõnda aega hiljem tegid Alain Aspect, John Clauser ja Anton Zeilinberg kindlaks, et nn Belli võrratuse rikkumine footonitega tehtud katsetes tõesti esineb ja said selle eest 2022. aastal Nobeli füüsikaauhinna. Einsteini meelehärmiks kvantmehaanika kehtib ja on täielik.
Tänapäeval saame teha järgmise sammu ja katsetada seda teooriat uuel režiimil, mida pakuvad kiirendikatsed, kus on kättesaadav energiavahemik (enam veel, vastastikmõjud), mida ei ole tavalistes KIT-i eksperimentides võimalik saavutada. Nii ATLAS kui ka CMS kollaboratsioonid on uurinud põimituse olemasolu LHC-s tekkinud t-kvargi ja antikvargi paaride spinnolekus, ning nii põimitus kui ka Belli võrratuse rikkumine on leitud mitmesugustes B-mesoni ja tšarmooniumi laguproduktides. Kvantmehaanikat saab kõrgetel energiatel proovile panna; keegi ei uskunud õieti, et teooria sel režiimil ei toimiks, kuid on siiski märkimisväärne, et suudame oma teadmiste nii olulist alustala kontrollida.
Nüüdseks olen teid loodetavasti veennud, et osakestefüüsika ja KIT-i pentsiku piiriala uurimine võib kasu tuua. Teil võib olla veel üks väga tähtis küsimus: kui osake on infokandja, siis mille kohta see informatsioon käib? Teisisõnu: mis on sõnum? Praegu me seda ei tea. Oleme KIT-i käsitlusviisi ja meetoditega alles hakanud kiirendites uuritava kõrge energia piiri uurima. Huvitaval kombel üritavad gravitatsiooni uurijad praegu sama asja ja püüavad õhinaga gravitatsiooni mõista informatsiooni vaatenurgast.
On veel liiga vara öelda, kas praegune osakestefüüsika paradigma, standardmudeli, jaoks saab anda informatsiooniteoreetilist kirjeldust, mis aitaks looduse fundamentaalseid protsesse mõista sügavamalt kui praegune sümmeetriatel ja sümmeetriarikkumisel põhinev käsitlus. Kui see on nii, siis võib informatsioon osutuda ühiskeeleks, mis võimaldab välja selgitada, kuidas saavutada kaua otsitud kõigi looduse alusjõudude ühinemine ja sellega näidata, et John Archibald Wheeleril oli õigus, kui ta leidis, et kogu füüsika on oma olemuselt informatsiooniteoreetiline: it from bit (kõik bitist).
Luca Marzola (1983) on keemilise ja bioloogilise füüsika instituudi vanemteadur, kelle kesksed valdkonnad on elementaarosakeste füüsika ja kvantväljade teooria.