在首次證明光子糾纏的二十年後，ATLAS 和CMS 實驗在大型強子對撞機上觀測到了頂夸克及其反粒子之間的量子糾纏。這項突破證實了高能量下的糾纏，為量子力學提供了新的視角。同時，在大型強子對撞機上產生的大量頂夸克對允許進行廣泛的研究，先進的機器學習技術在測量自旋糾纏和系統不確定性方面進一步加強了這種研究。

粒子物理學中的量子糾纏

最近，在安東-蔡林格（Anton Zeilinger）和他的團隊首次確證兩個光子之間存在糾纏的二十年後，ATLAS 和CMS 實驗報告說，在大型強子對撞機上觀測到了同時靜止產生的頂夸克及其反粒子之間的量子糾纏。

確認最重的基本粒子–頂夸克之間的量子糾纏為探索我們世界的量子本質開闢了一條新途徑，其能量遠遠超出了量子光學等領域所能達到的水平。同時，大型強子對撞機上頂夸克對的巨大產生率提供了頂夸克的龐大數據樣本，為這些研究提供了獨一無二的機會。

頂級夸克和反粒子之間的量子糾纏在大型強子對撞機上得到證實，標誌著高能量子物理學在大量數據和先進分析方法的支持下取得了重大進展。來源：歐洲核子研究中心

愛因斯坦對量子力學的挑戰

在量子力學中，如果我們知道其中一個粒子在測量另一個粒子時的狀態，那麼這兩個粒子就是糾纏的。即使這兩個最初糾纏在一起的粒子在測量前彼此相距很遠，情況也是如此。這就是愛因斯坦所說的”超距作用”：雖然訊息的傳播速度不可能超過光速，但在對第一個粒子進行測量時，第二個粒子保證會立即處於相應的狀態。 1934 年，愛因斯坦和他的合作者提出了一個思想實驗，他們認為這個實驗揭示了量子力學的不一致。

為了解決這個悖論，他們提出，我們對糾纏的描述是不完整的，系統中還有其他我們無法透過實驗獲得的量在運作。那麼，糾纏就是我們對這些隱藏變數一無所知的結果。

測量糾纏的先進技術

在一項新的測量中，CMS 合作小組首次研究了以極快的速度同時產生的頂夸克和頂反夸克的自旋糾纏。因此，這兩個粒子在衰變之前相距甚遠，也就是說，它們之間的距離大於以光速傳輸的訊息所能覆蓋的距離。夸克和反夸克自旋之間的相關性是透過觀察它們衰變產物的角度分佈來測量的。

分析中採用了最先進的機器學習方法，以正確分配頂（反）夸克衰變產物，​​並改進系統不確定性的建模。圖1 顯示了在兩個不同運動學區域觀察到的糾纏程度，以參數ΔE 為特徵。

圖1：在兩個運動學區域觀察到的以ΔE 為特徵的糾纏程度。圖中顯示了測量結果（點）及其不確定性，並與SM 預測值（紅線）進行了比較。水平藍線對應於夸克和反夸克之間以光速交換資訊所能解釋的最大糾纏ΔE臨界值。

第一個分段對應於產生的橫動量小於50 GeV 的頂夸克，而在最後一個分段中，頂夸克對具有很高的不變質量，即相互之間的運動速度很大。在這兩個運動學區域測得的ΔE 都大於1，證實了兩個粒子之間的糾纏。特別是在第二個分區，頂夸克-反夸克對的相對速度非常大，只有10%的情況下它們才有機會進行交流。在這裡，糾纏度明顯高於ΔE臨界值，而ΔE臨界值是在光速下透過隱藏變數進行資訊交流所能解釋的糾纏度。因此，測量結果表明，在已知最重的粒子之間確實存在”超距作用”。資料來源：歐洲核子研究中心

編譯自/ citechdaily