Three-qubit entanglement in the Bethe-Heitler process

In der subatomaren Welt sind Teilchen nicht bloß winzige, harte Kugeln, die voneinander abprallen; sie sind auch Träger einer seltsamen, unsichtbaren Verbindung, die als Verschränkung bekannt ist. Wenn zwei Teilchen miteinander verschränkt werden, werden ihre Eigenschaften auf eine Weise verknüpft, die der alltäglichen Logik trotzt: Die Messung des Zustands eines Teilchens offenbart augenblicklich den Zustand des anderen, ungeachtet dessen, wie weit sie voneinander entfernt sind. Wissenschaftler untersuchen dieses Phänomen seit langem mit Paaren von Teilchen, doch die Natur bietet ein komplexeres Rätsel, wenn drei Teilchen involviert sind. In diesem Drei-Teilchen-Szenario können die Verbindungen unterschiedliche Formen annehmen, von denen einige weitaus fragiler und komplizierter sind als einfache Paare. Das Verständnis darüber, wie diese Drei-Wege-Verbindungen entstehen, ist entscheidend für die Zukunft des Quantencomputings und für das Testen der tiefsten Gesetze der Physik, doch es hat sich als schwierig erwiesen, eine natürliche Umgebung zu finden, in der drei Teilchen auf kontrollierte Weise miteinander verschränkt werden.

Ein Team von Forschern hat seine Aufmerksamkeit nun auf einen vertrauten, jahrzehntealten Prozess der Teilchenphysik gelenkt, um dieses Rätsel zu lösen. Bekannt als Bethe-Heitler-Prozess, tritt dieser auf, wenn ein hochenergetisches Elektron mit einem Proton kollidiert, was dazu führt, dass das Elektron beim Abprallen einen Lichtblitz – ein Photon – emittiert. Seit fast einem Jahrhundert nutzen Physiker diese Wechselwirkung, um die Struktur der Materie und das Verhalten des Lichts zu untersuchen, aber sie haben die in der Kollision verborgene Quanteninformation weitgehend ignoriert. In einer neuen Studie schlagen die Autoren vor, dass genau diese Kollision als natürliches Labor zur Erzeugung von Drei-Qubit-Verschränkung dient. In diesem Kontext ist ein „Qubit“ einfach ein Quantenbit, die fundamentale Informationseinheit eines Quantencomputers, welches in diesem Fall durch den Spin, also die intrinsische Rotation, des endgültigen Elektrons, des endgültigen Protons und des emittierten Photons, repräsentiert wird.

Die Forscher setzten sich zum Ziel zu verstehen, wie diese drei Teilchen, die als getrennte Entitäten beginnen, zu einem einzigen, unzertrennlichen Quantenzustand verwoben werden. Sie konzentrierten sich auf zwei spezifische, hochgeschätzte Arten der Drei-Teilchen-Verschränkung. Die erste wird als Greenberger-Horne-Zeilinger-Zustand oder GHZ-Zustand bezeichnet; er stellt ein Maß an Verbindung dar, bei dem alle drei Teilchen so eng miteinander verknüpft sind, dass sie, wenn man nur zwei von ihnen betrachtet, völlig unverbunden erscheinen, während das Trio als Ganzes dennoch tief miteinander verwoben bleibt. Der zweite ist als W-Zustand bekannt, der etwas robuster ist; selbst wenn ein Teilchen verloren geht oder ignoriert wird, behalten die verbleibenden zwei immer noch eine signifikante Verbindung bei. Während diese Zustände routinemäßig in kontrollierten Laborumgebungen unter Verwendung von Lasern und Kristallen erzeugt werden, ist das Finden dieser Zustände in der chaotischen Umgebung einer Hochenergie-Teilchenkollision ein viel seltenerer Erfolg.

Um dies zu untersuchen, baute das Team keine neue Maschine, sondern führte detaillierte Computersimulationen des Bethe-Heitler-Prozesses durch. Sie modellierten die Kollision eines Elektrons mit einem Proton bei verschiedenen Energieniveaus und verfolgten die Spins der ausgehenden Teilchen, um zu sehen, ob sie die gewünschten verschränkten Muster bildeten. Die Simulationen zeigten, dass der Prozess weitaus reicher ist als bisher angenommen. Durch die sorgfältige Anpassung der Winkel, unter denen die Teilchen gestreut werden, sowie der anfänglichen Spin-Richtungen des einfallenden Elektrons und Protons fanden die Forscher heraus, dass die Kollision natürlich diese komplexen Zustände produziert. Speziell in Energiebereichen unter 5 GeV identifizierten die Simulationen mehr als 900 distinkte Instanzen des GHZ-Zustands und über 1.200 Instanzen des W-Zustands. In jedem Fall lag die Fidelität – also das Maß dafür, wie perfekt der erzeugte Zustand der idealen theoretischen Version entsprach – bei über 99 Prozent.

Die Studie klärte auch, wie diese Zustände aufgebaut werden. Die Forscher zeigten, dass die Verschränkung nicht auf einmal erscheint, sondern durch eine Sequenz von Wechselwirkungen konstruiert wird. Zuerst können das Elektron und das Proton stark miteinander verknüpft werden, und während das Elektron dann das Photon emittiert, wird diese Verbindung geteilt und umgestaltet, um das dritte Teilchen einzubeziehen. Das Team fand heraus, dass die spezifische Art der Verschränkung stark von der Geometrie der Kollision abhängt. Wenn beispielsweise das Photon in einem sehr spezifischen Winkel relativ zum einfallenden Strahl emittiert wird, neigt das System dazu, den fragilen GHZ-Zustand zu bilden. In anderen kinematischen Regionen, in denen das Photon einen großen Teil der Energie mitnimmt, tritt der robustere W-Zustand hervor. Die Simulationen deckten auch viele unerwartete Variationen dieser Zustände auf, die nicht in einfache Lehrbuchbeschreibungen passten, was darauf hindeutet, dass die Quanteninformationslandschaft dieses Prozesses sogar noch vielfältiger ist, als die Forscher ursprünglich angenommen hatten.

Obwohl die Ergebnisse überzeugend sind, weisen die Autoren vorsichtig darauf hin, dass diese Erkenntnisse aus Computermodellen und nicht aus direkten physikalischen Messungen stammen. Der nächste Schritt wäre die Verifizierung dieser Vorhersagen in einem echten Experiment, was Detektoren erfordern würde, die in der Lage sind, den Spin des endgültigen Elektrons, des Protons und des Photons gleichzeitig zu messen. Dies stellt eine erhebliche technische Herausforderung dar, insbesondere für die Messung des Spins des endgültigen Elektrons, der notorisch schwer zu detektieren ist. Die Forscher schlagen vor, dass die Verwendung eines Strahls polarisierter Myonen anstelle von Elektronen einen praktikableren Weg ebnen könnte, da die Messung des Myon-Spins eine gut etablierte Technik ist. Sollte ein solches Experiment durchgeführt werden können, würde es bestätigen, dass der alltägliche Prozess eines Elektrons, das auf ein Proton trifft, tatsächlich eine Fabrik für einige der komplexesten Quantenzustände ist, die die Wissenschaft kennt.

Diese Arbeit transformiert ein Standardkapitel der Physik-Lehrbücher in eine neue Grenze für die Quanteninformation. Sie zeigt, dass der komplexe Tanz der Verschränkung nicht auf exotische, künstlich erzeugte Systeme beschränkt ist, sondern in das Gefüge fundamentaler Teilchenwechselwirkungen eingewoben ist. Indem sie aufzeigt, dass eine einfache Kollision hunderte von hochgradig verschränkten Zuständen mit nahezu perfekter Präzision erzeugen kann, öffnet die Studie ein neues Fenster dazu, wie die Natur Komplexität aus einfachen Regeln aufbaut. Die Entdeckung legt nahe, dass das Universum ständig diese empfindlichen Quantenverbindungen generiert und nur darauf wartet, dass die richtigen Werkzeuge gefunden werden, um sie zu beobachten.