美國能源部布魯克海文國家實驗室的科學家開發了一種新方法，可利用高能粒子碰撞產生的數據來探索質子內部結構。結合量子信息科學，他們研究了在電子與質子碰撞過程中釋放出的粒子軌跡，及其如何受到質子內夸克和膠子之間量子糾纏的影響。該結果發表在最新一期《物理學進展報告》雜志上，向人們揭示了質子內量子糾纏現象。

質子-電子碰撞的數據提供了質子的夸克(球體)和膠子(波浪線)之間糾纏的有力證據，這可能在它們的強力相互作用中發揮重要作用。圖片來源：布魯克海文國家實驗室

質子由夸克和膠子構成，這些基本粒子之間的量子糾纏是一種特殊現象，即使相隔很遠，粒子也能“感知”彼此的狀態，例如它們的自旋方向。愛因斯坦曾形象地將這種現象稱為“遠距離的幽靈般相互作用”。但此次，糾纏發生在極微小的距離，即在質子內部不到一千萬億分之一米范圍內，并且這種信息交流覆蓋了整個質子內的夸克和膠子集合。

團隊使用量子信息學的方法，預測了量子糾纏如何影響碰撞后流出的粒子。根據他們的計算，當質子內的夸克和膠子處于最大糾纏狀態時，即具有最高的“糾纏熵”，碰撞應該會產生大量分布雜亂無章的粒子，顯示出高水平的熵。他們分析了來自歐洲大型強子對撞機的質子-質子碰撞數據，以及更清晰的電子-質子碰撞數據。發現實際觀察到的數據與理論預測完全一致，這表明質子內部的夸克和膠子確實處于最大糾纏狀態。

糾纏是一種系統性的互動，涉及到整個系統的集體行為，而非單個粒子的行為。正如人們不會單獨考慮鍋里每個水分子的運動來理解開水的溫度一樣，人們也無法僅憑單個夸克或膠子的行為來理解質子的整體性質，而是需要考慮所有粒子的集體組合行為。當大量粒子共同作用時，物理規則會發生變化。量子信息學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群體行為。

此次研究不僅增加了人們對質子內部結構的理解，也為其他涉及糾纏的科學領域提供了新見解。