Kogu füüsika pärineb informatsioonist. See onJ. A. Wheeleri mantra „Kõik bitist“ olemus, mille ta vermis väljendamaks mõtet, et kvantmehaanika peaks põhinema meie reaalsust kirjeldavatel füüsikaprintsiipidel, mitte aksioomidel, mis ei ütle meile midagi maailma kohta. Ja mis võiks olla fundamentaalsem ja füüsikalisem informatsioonist? Mitte miski: isegi füüsikaseadused ei käi mitte laboris uuritavate objektide, vaid ainult maailma kirjelduse – informatsiooni – kohta, mille katsetes saame. Sellest vaatenurgast on kvantmehaanika formaalne struktuur, mis kirjeldab, kuidas – ja millist – informatsiooni me maailma kohta saame ja kuidas meie teadmised uue informatsiooni läbi uuenevad. Seni on see paradigmat muutev suhtumine maailma leidnud kõlapinda ainult gravitatsiooni ja kvantmehaanika kogukondades. Fundamentaalse kvantinformatsiooniteooria rühm, mille eesotsas on Luca Marzola, püüab näidata selle lähenemise eelisi seda osakestefüüsikale rakendades.
Rühm tegeleb uue alaga osakestefüüsika ja kvantinformatsiooniteooria kokkupuutepinnal, mille lõppeesmärk on leida uus elementaarsete loodusnähtuste kirjeldus, mis põhineb nende protsesside informatsiooniteoreetilisel mõistmisel. Töö käib koostöös Trieste INFN osakonnaga, KBFI kõrge energia füüsika ja CMS-i andmeanalüüsi rühmaga ning Tartu Ülikooli Arvutiteaduse Instituudiga tippkeskuse TK202 „Fundamentaalne universum“ egiidi all.
Esimeseks sammuks meie eesmärgi poole on kvantinformatsiooniteooria meetodite rakendamine kiirendiekspoerimentides uuritavatele fundamentaalsetele protsessidele. See juures on võtmetähtsusega, et:
Osakesed on oma olemuselt kvantobjektid, mis kannavadnt. nende spinnis, lõhnas või sümmeetriaesituses kodeeritud informatsiooni. Õigupoolest vastab igale omadusele, mida kirjeldab kompaktne Lie rühm, loomulikul viisil kvantarv, mille väärtused on diskreetsed. See lubab meil tõlgendada osakesi \( n \) tasemega süsteemina ja kasutada informatsiooniteooriat. Näiteks saame elektroni võimalikest spinn-olekutest meelevaldse kvantimissuuna suhtes mõelda kui kahe olekuga süsteemist, mis kannab ühte bitti informatsiooni.
Need kaks olekut – tähistusega \( \uparrow \) ja \( \downarrow \), \( + \) ja \( – \) või \( 0 \) ja \( 1 \) – moodustavad arvutusbaasi Hilberti ruumile, mis kirjeldab elektroni spinni. Kuna kvantmehaanikas võivad olekud olla baasolekute koherentses superpositsioonis, sarnaneb elektron pigem kvantbitile kui klassikalisele bitile. Nagu näeme, juhatab Schrödingeri võrrandi lineaarsusse sisse ehitatud superpositsiooni printsiip meid kvantinformatsiooniteooria maailma. Siin on osakesed kvantinfokandjad.
Standardmudeli fundamentaalsed vastastikmõjud toimivad kvantpõimituse allikana.. Vaatame kvantelektrodünaamika õpikunäidet: elektron-positronpaari annihileerumist müüonpaariks. Alustades polariseerimata elektron- ja positronkiirtega, uurime me protsessi kordamisel tekkivad korrelatsioone müüonite ja antimüüonite spinnivektorite vahel. Käsitledes neid osakesi kvantbittidena, saame kasutada tihedusoperaatorite formalismi ja arvutada 4×4 maatriksi, mis kodeerib müüonite paari spinn-olekut. Viinud arvutuse läbi, me näeme, et tulemuseks olev tihedusmaatriksit ei saa kirjutada tihedusmaatriksite, mis kirjeldavad müüonite ja antimüüonite polarisatsiooni (spinn-keskmist) eraldi, Kroneckeri korrutiste kumera kombinatsioonina. Kvantinformatsiooniteooria keeles on müüonid ja antimüüonid olekus, mis ei ole eraldatav. See on täiesti erinev elektron-positronpaaride tihedusmaatriksist, mis algoleku definitsiooni järgi on eraldatav olek. Eraldatavuse mõiste on kvantinformatsiooniteoorias keskne ja otseselt seotud kvantmehaanika teise tunnustähe, põimitusega: mitte-eraldatavad olekud on definitsiooni järgi põimitud.
Pöördudes meie näite juurde tagasi, on ilmne, et protsessi vahendav elektromagnetiline vastastikmõju toimib põimituse allikana. See tähelepanuväärne omadus, mis on ühine kõigile fundamentaalsetele vastastikmõjudele, on täiendavaks motivatsiooniks kvantinformatsiooniteooria rakendamisel osakestefüüsika nähtustele.
Rühm on juba tõestanud selle uurimissuuna perspektiivikust, näidates, et nii põimitus kui sellega kaasnev Belli võrratuste rikkumine on kättesaadav praegustele ja tulevastele kiirendieksperimentidele. Näiteks järgnev joonis näitab võimalust nende suuruste uurimiseks, rekonstrueerides \( e^+ e^-\to Z\to \tau^+ \tau^- \) reaktsioonis \( Z \) bosoni resonantsil tekkinud \( \tau \) leptonite paari spinn-oleku. Kokkulangevusparameetri \( \mathscr{C} \) positiivne väärtus näitab põimituse olemasolu, kuna \( \frak{m}\)\(_{12}>1 \) väärtused näitavad Belli võrratuse rikkumist. Nurk \( \Theta \) on hajumisnurk \( \tau^+ \) leptoni ja positronkiire suundade vahel.
Peale kvantmehaaniliste nähtuste nagu põimitus ja Belli võrratuste rikkumine kõrge energia füüsika eksperimentide poolt pakutavas uudses keskkonnas, kasutab rühm samuti ära kvantinformatsiooniteooria võimalusi tavaliste osakestefüüsika uuringute jaoks.
Näitek kvant-tomograafia on tehnika, mis seisneb mõõtmiste jadas, mille järgi saab konstrueerida uuritava süsteemi täieliku tihedusmaatriksi. Osakestefüüsikas saab seda kasutada standardmudeli ennustuste testimiseks kiirendiandmetes nii suure täpsusega, kui seda põrkesündmuste rekonstrueerimine üldse võimaldab. Selles kontekstis on rühm näidanud, et seda meetodit saab kasutada võimalikest uue füüsika efektidest tulenevate anomaalsete interaktsioonide tugevaks piiramiseks.
Kvantinformatsiooniteooria sobib samuti hästi, et toime tulla juhul, kui täielik tomograafiline mõõtmine on võimatu või ebapraktiline. Sellisel juhul saab kogutud andmeid ära kasutada meetodite nagu kokkusurutud mõõtmine ja klassikalised varud abil.
Rühma üheks eesmärgiks on nende tehnikate võimaluste ärakasutamine osakestefüüsika fenomenoloogias, pöörates erilist tähelepanu nähtamatuid osakesi nagu neutriinod, tumedad footonid ja tumeaine kandidaadid sisaldavatele lõppolekutele. Uurime ka võimalusi, et kvantkrüptograafia and kvantveaparandusmeetodid võivad mängida tähtsat rolli varglike osakeste nagu aksion tuvastamises, mis saab esineda „pealtkuulaja“ või kvantmürana.
Lõpetuseks võib öelda, et arendades vahendeid osakestefüüsika fenomenide kirjeldamiseks kvantinformatsiooniteooria keeles, oleks rumal mitte uurida osakestefüüsika võimalikku mõju kvantarvutitele. Sellest tuleks tulu vähemalt kahel moel: esiteks on kvantarvutus kiiresti kasvav teadusharu ja selle võimalikud rakendused alusuuringutele on alles täiesti ammendamata. Iseäranis pole veel olemas töökindlat protokolli kõrge energia füüsika simulatsioonideks kvantarvutitel. Teiseks on kvantarvutid, per se, laboratooriumid, milles arvutamiseks kasutatavaid kvantolekuid saab otse manipuleerida. Seega on võimalik kvantarvuteid kasutada kvantmehaanika aluste uurimiseks veel ühes uues kontekstis, mis aitab meil selle teooria eripärasid paremini mõista. Osa selle rühma tööst on pühendatud nendelegi uutele uurimissuundadele.
