美國(guó)能源部布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家開發(fā)了一種新方法，可利用高能粒子碰撞產(chǎn)生的數(shù)據(jù)來(lái)探索質(zhì)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)。結(jié)合量子信息科學(xué)，他們研究了在電子與質(zhì)子碰撞過(guò)程中釋放出的粒子軌跡，及其如何受到質(zhì)子內(nèi)夸克和膠子之間量子糾纏的影響。該結(jié)果發(fā)表在最新一期《物理學(xué)進(jìn)展報(bào)告》雜志上，向人們揭示了質(zhì)子內(nèi)量子糾纏現(xiàn)象。

質(zhì)子由夸克和膠子構(gòu)成，這些基本粒子之間的量子糾纏是一種特殊現(xiàn)象，即使相隔很遠(yuǎn)，粒子也能“感知”彼此的狀態(tài)，例如它們的自旋方向。愛因斯坦曾形象地將這種現(xiàn)象稱為“遠(yuǎn)距離的幽靈般相互作用”。但此次，糾纏發(fā)生在極微小的距離，即在質(zhì)子內(nèi)部不到一千萬(wàn)億分之一米范圍內(nèi)，并且這種信息交流覆蓋了整個(gè)質(zhì)子內(nèi)的夸克和膠子集合。

團(tuán)隊(duì)使用量子信息學(xué)的方法，預(yù)測(cè)了量子糾纏如何影響碰撞后流出的粒子。根據(jù)他們的計(jì)算，當(dāng)質(zhì)子內(nèi)的夸克和膠子處于最大糾纏狀態(tài)時(shí)，即具有最高的“糾纏熵”，碰撞應(yīng)該會(huì)產(chǎn)生大量分布雜亂無(wú)章的粒子，顯示出高水平的熵。他們分析了來(lái)自歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的質(zhì)子-質(zhì)子碰撞數(shù)據(jù)，以及更清晰的電子-質(zhì)子碰撞數(shù)據(jù)。發(fā)現(xiàn)實(shí)際觀察到的數(shù)據(jù)與理論預(yù)測(cè)完全一致，這表明質(zhì)子內(nèi)部的夸克和膠子確實(shí)處于最大糾纏狀態(tài)。

糾纏是一種系統(tǒng)性的互動(dòng)，涉及到整個(gè)系統(tǒng)的集體行為，而非單個(gè)粒子的行為。正如人們不會(huì)單獨(dú)考慮鍋里每個(gè)水分子的運(yùn)動(dòng)來(lái)理解開水的溫度一樣，人們也無(wú)法僅憑單個(gè)夸克或膠子的行為來(lái)理解質(zhì)子的整體性質(zhì)，而是需要考慮所有粒子的集體組合行為。當(dāng)大量粒子共同作用時(shí)，物理規(guī)則會(huì)發(fā)生變化。量子信息學(xué)為描述這種行為提供了工具，從而幫助人們更好地理解粒子糾纏如何引導(dǎo)群體行為。

此次研究不僅增加了人們對(duì)質(zhì)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的理解，也為其他涉及糾纏的科學(xué)領(lǐng)域提供了新見解。