Splątanie kwantowe jest jedną z podstawowych właściwości mechaniki kwantowej i jest kluczowe dla wielu jej współczesnych zastosowań. Wśród fizyków coraz większym zainteresowaniem cieszy się poszukiwanie związku splątania z procesami rozpraszania cząstek w wysokoenergetycznych zderzeniach, które są podstawowym sposobem badania oddziaływań cząstek. Takie prace prowadzą również teoretycy z NCBJ.

Splątanie to zjawisko polegające na tym, że stany kwantowe dwóch lub więcej cząstek nie mogą być opisane niezależnie od siebie, nawet gdy cząstki te są rozdzielone przez duże odległości. Taka cecha – typowa dla mechaniki kwantowej i nieobecna w świecie klasycznym – jest najbardziej fundamentalną właściwością pozwalającą odróżnić układy kwantowe od klasycznych. Splątanie leży u podstaw wielu współczesnych zastosowań mechaniki kwantowej, od kryptografii kwantowej po obliczenia kwantowe, i stanowi podstawę kwantowej teorii informacji.

Oddziaływania cząstek bada się w procesach rozpraszania. Przez dziesięciolecia fizycy wysokich energii systematycznie analizowali produkty wysokoenergetycznych (ultrarelatywistycznych) zderzeń cząstek w akceleratorach. Ten gigantyczny zbiorowy wysiłek jest filarem współczesnej fizyki cząstek elementarnych: doprowadził do zaobserwowania wszystkich składników Modelu Standardowego, a dwanaście lat temu został ukoronowany odkryciem bozonu Higgsa w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC). Z drugiej strony, zarówno fizycy teoretyczni, jak i eksperymentalni zastanawiają się, czy w ogromnej ilości danych przechowywanych w LHC mogą ukrywać się odpowiedzi na jeszcze bardziej fundamentalne pytania. „Niektóre właściwości kwantowe, takie jak właśnie splątanie, które w kontekście fizyki wysokich energii nie były wcześniej dogłębnie badane, zaczynają teraz przeżywać swój renesans” – opowiada prof. Kamila Kowalska z Zakładu Fizyki Teoretycznej NCBJ. „Dla przykładu, w zeszłym roku dwa działające przy LHC eksperymenty, ATLAS i CMS, zaobserwowały splątanie spinowych stopni swobody dwóch kwarków górnych.”

Nic więc dziwnego, że wśród teoretyków rośnie zainteresowanie możliwością odkrycia głębszego związku między splątaniem kwantowym, a rozpraszaniem ultrarelatywistycznym. Chociaż badania te wciąż znajdują się w fazie początkowej, mogą mieć one wiele rewolucyjnych implikacji. Przykładowo, w niedalekiej przyszłości reguły kwantowej teorii informacji mogą znaleźć zastosowanie w akceleratorach cząstek. Jeszcze bardziej egzotyczną możliwością jest bezpośrednie przetestowanie hipotezy „symetrii emergentnych”, która zakłada, że symetrie fundamentalnej teorii mają swoje źródło w ilości splątania wymienianego w procesie rozpraszania.

W niedawno opublikowanym artykule „Entanglement in flavored scalar scattering”, profesorowie Kamila Kowalska i Enrico Sessolo z Zakładu Fizyki Teoretycznej NCBJ przeanalizowali właściwości splątania w rozpraszaniu dwóch cząstek niosących wewnętrzną liczbę kwantową (zwaną „zapachem”, ang. flavor), która działa jak qubit, podstawowa jednostka informacji kwantowej. Stosując swój formalizm do ultrarelatywistycznego rozpraszania dwóch obdarzonych zapachem bozonów Higgsa, naukowcy zaprezentowali kilka ciekawych wniosków. „Z zachowania prawdopodobieństwa wynika, że mała, lecz niezerowa ilość splątania jest zawsze, wstrzykiwana” przez oddziaływanie rozpraszające do układu dwóch początkowo niesplątanych cząstek” – wyjaśnia prof. Enrico Sessolo. „Co więcej, proces rozpraszania może przekształcać splątanie między zapachami na splątanie między pędami rozpraszanych cząstek. Dodatkowo, w badanym procesie ograniczenia nałożone na ilość splątania, a w szczególności żądanie, żeby było ono minimalne, nie prowadzą do zwiększenia symetrii teorii opisującej oddziaływania bozonów Higgsa. Oznacza to, że hipoteza symetrii emergentnych nie została w tym przypadku potwierdzona.”

Analiza prof. Kowalskiej i prof. Sessolo jest jednym z pierwszych kroków w kierunku zrozumienia powiązań między najbardziej podstawową kwantowo-mechaniczną cechą natury a eksperymentami, które mogą badać cząstki elementarne przy najwyższych osiągalnych obecnie energiach. Autorzy mają nadzieję, że ich publikacja pomoże utorować drogę do rozkwitu nowych pomysłów w tej ekscytującej dziedzinie.

Oryginalna praca: Kowalska, K., Sessolo, E.M. Entanglement in flavored scalar scattering. J. High Energ. Phys. 2024, 156 (2024). https://doi.org/10.1007/JHEP07(2024)156