美国能源部布鲁克海文国家实验室的科学家开发了一种新方法，可利用高能粒子碰撞产生的数据来探索质子内部结构。结合量子信息科学，他们研究了在电子与质子碰撞过程中释放出的粒子轨迹，及其如何受到质子内夸克和胶子之间量子纠缠的影响。该结果发表在最新一期《物理学进展报告》杂志上，向人们揭示了质子内量子纠缠现象。
质子-电子碰撞的数据提供了质子的夸克(球体)和胶子(波浪线)之间纠缠的有力证据，这可能在它们的强力相互作用中发挥重要作用。图片来源：布鲁克海文国家实验室
质子由夸克和胶子构成，这些基本粒子之间的量子纠缠是一种特殊现象，即使相隔很远，粒子也能“感知”彼此的状态，例如它们的自旋方向。爱因斯坦曾形象地将这种现象称为“远距离的幽灵般相互作用”。但此次，纠缠发生在极微小的距离，即在质子内部不到一千万亿分之一米范围内，并且这种信息交流覆盖了整个质子内的夸克和胶子集合。
团队使用量子信息学的方法，预测了量子纠缠如何影响碰撞后流出的粒子。根据他们的计算，当质子内的夸克和胶子处于最大纠缠状态时，即具有最高的“纠缠熵”，碰撞应该会产生大量分布杂乱无章的粒子，显示出高水平的熵。他们分析了来自欧洲大型强子对撞机的质子-质子碰撞数据，以及更清晰的电子-质子碰撞数据。发现实际观察到的数据与理论预测完全一致，这表明质子内部的夸克和胶子确实处于最大纠缠状态。
纠缠是一种系统性的互动，涉及到整个系统的集体行为，而非单个粒子的行为。正如人们不会单独考虑锅里每个水分子的运动来理解开水的温度一样，人们也无法仅凭单个夸克或胶子的行为来理解质子的整体性质，而是需要考虑所有粒子的集体组合行为。当大量粒子共同作用时，物理规则会发生变化。量子信息学为描述这种行为提供了工具，从而帮助人们更好地理解粒子纠缠如何引导群体行为。
此次研究不仅增加了人们对质子内部结构的理解，也为其他涉及纠缠的科学领域提供了新见解。
