For første gang har CMS-eksperimentet ved Large Hadron Collider (LHC) målt «magic» i par av toppkvarker, de tyngste kjente elementærpartiklene. Funnene knytter partikkelfysikk tettere til kvanteinformasjon og peker mot nye muligheter for kvantedatabehandling. Metodene som ble utviklet, avslørte også spor av den unnvikende tilstanden toponium.

Hva er oppdaget – og hvorfor det er stort

Partikkelfysikere ved LHC har bekreftet at sammenfiltrede toppkvark–anti-toppkvark-par bærer en spesiell kvante-egenskap kalt «magic». I kvanteinformasjonsteori gjør denne egenskapen kvantetilstander særlig vanskelige å simulere på klassiske maskiner. For at kvantedatamaskiner skal gi fart utover klassiske algoritmer, trengs tilførsel av slike «magic states» som en slags drivstoff.

Slik ble «magien» målt

Analysen ble ledet av Regina Demina ved University of Rochester for CMS-eksperimentet. Forskerne kartla spinnene til toppkvarkpar som skjøt ut i alle retninger. Ved å fylle ut en spinn-korrelasjonsmatrise fra enorme mengder kollisjonsdata, kunne teamet beregne «magien». Resultatet var klart: De sammenfiltrede kvarkparene hadde faktisk magic.

Ideen som satte det hele i gang

Gjennombruddet bygger på en idé som tvillingbrødrene Martin White (University of Adelaide) og Chris White (Queen Mary University of London) foreslo i 2024.

«Vi tenkte at LHC er et kvantesystem. Toppkvarker er et kvantesystem. Kan vi bare se på det systemet og finne ut om det har magic eller ikke?»

Dette var brødrenes første samarbeid – noe Martin beskriver som følelsesladet etter mange år med ønske om å jobbe sammen.

Hvorfor dette betyr noe for kvantedatamaskiner

Nøkkelen til «magic» ligger i kontekstualitet – at måleresultater i kvantemekanikk er avhengige av kontekst. Det gjør magiske tilstander vanskelig å gjenskape med klassiske beregninger. Dermed blir naturens egne «magic states» interessante som referanser for hvordan kvantesystemer kan utnyttes.

Uventet bonus: spor av toponium

Metodene som ble utviklet, avdekket også at toppkvark og anti-toppkvark av og til er ekstra sammenfiltret. Da binder de seg sterkt til én partikkel: toponium. Denne tilstanden ble forutsagt i 1990, men ble ansett som for subtil til å kunne observeres i en collider som LHC. Likevel publiserte CMS og ATLAS sine målinger av toponium i henholdsvis mars og juli.

Kollideren som kvanteprosessor

«Det handler om å behandle prosessen med å kollidere ting sammen og danne nye partikler som en kvanteprosessor. Du kan undersøke et helt annet sett med spørsmål som kollidere egentlig ikke ble designet for, men som de er svært i stand til å adressere.» — Alan Barr, University of Oxford

Kan tid være noe som oppstår?

Demina vil bruke systemet til å utforske tid. Hun peker på en teori der tid ikke er fundamental, men emergent.

Hun drømmer om å demonstrere Page–Wootters-mekanismen med elementærpartikler, der universet som helhet kan være tidløst og uforanderlig, mens observatører inne i universet likevel oppfatter tidsmessig utvikling.

Et felt i gullrush – med innvendinger

Sytten år etter at LHC ble skrudd på, beskrives samspillet mellom partikkelfysikk og kvanteinformasjon som et spirende felt. Noen forskere stiller spørsmål ved om disse eksperimentene virkelig kan teste kvantemekanikk pålitelige, men entusiasmen er stor.

«Du begynner å dra i tråden, og du vet ikke hva du kommer til å finne.» — Marcel Vos, ATLAS-eksperimentet

• Hovedpoeng: LHC har målt «magic» i toppkvarkpar for første gang.
• Metode: Spinn-korrelasjonsmatrise fra enorme datamengder.
• Betydning: Ressurs for kvantedatabehandling; vanskelig å simulere klassisk.
• Bonusfunn: Indikasjoner på toponium, målt av både CMS og ATLAS.

Konklusjon: Målingen av «magic» i toppkvarker markerer et vendepunkt der colliderfysikk brukes som kvanteinstrument. Neste steg blir å presse metodene videre – fra bedre kartlegging av sammenfiltring og kontekstualitet til dristige tester av tidsbegrepet. Kilder: Quanta Magazine, Nature, Brookhaven National Laboratory, Queen Mary University of London.