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.