LHC 頂夸克與量子計算“神奇”特性之間的驚人聯系可能會帶來革命性的計算可能性。圖片來源：SciTechDaily.com

近日，物理學家在大型強子對撞機(LHC)與量子計算領域取得了一項突破性發現。倫敦瑪麗女王大學的克里斯·懷特教授和他的雙胞胎兄弟、阿德萊德大學的馬丁·懷特教授共同揭示了LHC產生的頂夸克與量子計算中“魔力”性質的緊密聯系。這一研究成果已發表在《物理評論D》上。

據悉，量子計算機利用了量子力學的奇特原理，被視為超越傳統計算機能力的關鍵。然而，量子計算機潛力的核心在于一種被稱為“魔法”的特性，這是構建這些強大機器的關鍵因素，但其產生和增強的機制一直是個謎。對于任何給定的量子系統，“魔力”是衡量其在非量子計算機上計算難度的指標，魔力越高，越需要量子計算機來描述其行為。

在這項新研究中，懷特兄弟首次證明LHC經常產生具有“魔法”性質的頂夸克。頂夸克是已知最重的基本粒子之一。通過研究LHC中質子碰撞產生的頂夸克行為，研究人員預測并觀察到這些“魔法頂夸克”會頻繁出現。有趣的是，這些頂夸克表現出的“魔力”大小取決于它們的移動速度和行進方向，這些都可以通過LHC的ATLAS和CMS探測器進行測量。

克里斯·懷特教授表示：“雖然糾纏(粒子相互連接)一直是量子研究的主要焦點，但我們的工作探索了頂夸克中的‘魔力’概念，這實質上衡量了粒子是否適合構建強大的量子計算機。”馬丁·懷特教授補充道：“ATLAS實驗已經觀察到了量子糾纏的證據，我們已經證明LHC還可以在此類實驗中嘗試的最高能量下觀察到更復雜的量子行為模式。”

這一發現對于理解和潛在增強其他量子系統中的“魔力”具有重要意義。量子計算機的潛在優勢非常巨大，將影響藥物研發、材料科學等多個領域。然而，要實現這種能力，需要強大且可控的量子態，而“魔法”在實現這種控制方面起著關鍵作用。

懷特兄弟的研究不僅為更深入地了解量子信息理論與高能物理之間的聯系奠定了基礎，還凸顯了LHC作為探索量子理論前沿的獨特平臺的潛力。克里斯·懷特教授說：“通過研究頂夸克產生的‘魔力’，我們在這兩個令人興奮的物理學領域之間架起了一座新的橋梁。”

參考文獻：Chris D. White 和 Martin J. White 合著的《頂夸克的魔法態》，2024 年 12 月 18 日，《物理評論 D》。DOI：10.1103/PhysRevD.110.116016