2026年9月15日——牛津大学的物理学家帮助证实，物理学中最奇特的现象之一——量子纠缠——甚至也会在迄今产生的一些最重、最短命的粒子之间发生。这一发现利用欧洲核子研究中心（CERN）世界上最强大的粒子对撞机完成，已发表在 《物理评论快报》 上。

纠缠是指来自同一来源的两个粒子即使随着时间和空间推移而相距遥远，仍保持相互关联的现象。如果某一因素影响其中一个粒子，也会影响与它纠缠的所有粒子。这意味着，测量一个粒子的某一属性，就能立刻得知其纠缠伙伴的某些信息，无论它们相距多远。

Albert Einstein曾有一句名言，将纠缠称为“幽灵般的超距作用”，这一现象已在光子、电子和囚禁离子等一系列系统中得到演示。如今，纠缠不再仅仅是一种新奇现象：它支撑着量子计算机、超安全量子通信网络和下一代传感器等新兴技术。例如，在量子计算中，纠缠被用于在一次操作中操控多个量子比特，而不是逐个操控。这使得多项计算可以同时进行。

然而，此前尚不清楚量子纠缠在更极端条件下——例如高能碰撞中产生的短寿命粒子之间——是否仍能保持完整。为验证这一点，一个国际研究合作组利用了位于瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究中心（CERN）大型强子对撞机（LHC）上的 ATLAS实验 。该团队在一个全新的场景中寻找纠缠：仅存在几分之一秒便衰变的Z玻色子对。

所研究的Z玻色子产生于希格斯玻色子的衰变——这种粒子于2012年在LHC上被发现——希格斯玻色子会短暂分裂成两个Z玻色子，随后每个Z玻色子又衰变成电子对或μ子对。希格斯玻色子是通过让以99.99%光速运动的质子相互碰撞产生的：这些碰撞的能量达到13万亿电子伏特。

尽管Z玻色子几乎瞬间消失，ATLAS探测器仍能精确追踪它们留下的电子和μ子。通过重建这些粒子发射时的角度，研究人员可以推断原始Z玻色子的自旋，并检验它们是否通过量子纠缠相关联。结果显示有强有力的证据表明它们确实如此。这使其成为有记录以来能量最高的量子纠缠确认之一。

研究合著者、牛津大学物理系的 Alan Barr教授 是最早提出粒子对撞机可用于在远高于此前所有实验的能量水平上研究量子纠缠的人之一。他参与了LHC的建造，并意识到这台巨型装置除了发现新粒子外还有更多用途。他的想法为2023年的一项实验提供了启发，该实验同样使用ATLAS探测器，并演示了顶夸克对之间的纠缠——顶夸克是已知最重的基本粒子。

Barr教授说：“我们习惯于把纠缠看作某种脆弱的东西，只能在单光子实验室实验中看到。如今发现，它在地球上所能产生的一些最剧烈碰撞中形成、像Z玻色子这样重且短命的粒子之间依然存在且完好，这表明这种量子效应实际上有多么基本和稳固。这很好地提醒我们，有朝一日可能为量子计算机提供动力的那些奇特量子力学规则，在自然界中无处不在，甚至在大强子对撞机的极端能量下也在发挥作用。”

除了其基础意义之外，这项研究也加入了物理学家日益增长的努力：从量子信息科学（量子计算背后的领域）中借鉴工具和思想，并将其应用于粒子物理。这种交叉融合正帮助科学家开发出分析对撞机数据的新方法，且灵敏度更高，有望揭示一些微妙效应，这些效应可能指向超出当前人们对宇宙理解的物理。

在牛津大学，Barr教授共同领导一个 重大跨学科项目 ，探索高能条件下的量子力学基础。除了在尽可能小的尺度和最高能量下对量子效应进行实证检验外，该项目还在研究这些测量的哲学意涵，以及它们可能揭示出关于现实基本本质的哪些信息。

项目共同首席研究员 Chris Timpson教授 （哲学系）说：“纠缠既是量子现实中最有前景的方面，也是最令人困惑的方面；这些探测到纠缠的对撞机实验，为量子力学基础研究开辟了新前沿。”

牛津大学的研究人员还参与了目前正在进行的ATLAS探测器升级。结合升级后的高亮度大型强子对撞机，这将使研究人员能够对量子现象展开更深入的探索，并应用新颖的量子信息技巧来利用这台机器将产生的海量数据。

Daniela Bortoletto教授 （牛津大学物理系）是英国负责为升级后的ATLAS探测器像素系统生产模块的协调人，她说：“这项测量展示了ATLAS合作组的科学实力以及CERN大型强子对撞机的独特能力。牛津研究人员在开发这些研究最高能量下量子现象的新方法方面发挥了引领作用，我们也很自豪能够为这项国际努力作出贡献，它正在开辟探索自然基本规律的新途径。”