极短距离的“幽灵般的动作”：科学家绘制出质子中的量子纠缠
极短距离的“幽灵般的动作”：科学家绘制出质子中的量子纠缠
量子纠缠是量子力学中一个令人着迷的现象，它描述了两个或多个粒子之间存在的神秘联系。即使相隔遥远，这些粒子的状态仍然能够瞬间影响彼此。最近，科学家们在研究质子内部结构时发现，这种"幽灵般的动作"不仅存在于远距离的粒子之间，也在极短的距离内发生着。
美国能源部布鲁克海文国家实验室的科学家和合作者开发了一种新方法，利用高能粒子碰撞数据来观察质子内部的量子纠缠现象。他们的研究发现，构成质子的基本组成部分——夸克和胶子——之间存在着纠缠关系。
过去质子-电子碰撞的数据提供了质子的夸克（球体）和胶子（波浪线）海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：Valerie Lentz/布鲁克海文国家实验室
这种纠缠现象发生在极其微小的尺度上，在单个质子内部不到一千万亿米的距离内。研究团队通过分析粒子碰撞数据，特别是电子-质子碰撞产生的粒子轨迹，揭示了这种纠缠对粒子分布的影响。
这项研究的重要成果发表在《物理学进展报告》上，总结了研究小组六年的研究工作。研究发现，具有最大纠缠的夸克和胶子会产生大量具有"凌乱"分布的粒子，即高熵状态。这一发现为理解质子内部结构提供了新的视角，并可能为其他科学领域提供启示。
电子离子对撞机（EIC）的未来实验将揭示处于原子核中如何影响质子内夸克和胶子之间的量子纠缠。图片来源：Tiffany Bowman/布鲁克海文国家实验室
研究团队还计划利用即将建成的电子离子对撞机（EIC）进行更深入的研究。EIC预计将于2030年代在布鲁克海文实验室开放，将为科学家提供更精确的实验数据，帮助他们进一步探索质子内部的量子纠缠现象。
这项研究不仅深化了我们对质子内部结构的理解，还可能为解决其他复杂的核物理问题提供新的思路。通过量子信息科学的工具，科学家们能够更好地理解粒子之间的纠缠如何导致集体行为，这将为未来的科学研究开辟新的方向。