Three-qubit entanglement in the Bethe-Heitler process

Nel mondo subatomico, le particelle non sono solo piccole sfere dure che rimbalzano l'una contro l'altra; esse sono anche portatrici di una strana, invisibile connessione nota come entanglement. Quando due particelle diventano entangled, le loro proprietà si legano in un modo che sfida la logica quotidiana: misurare lo stato di una rivela istantaneamente lo stato dell'altra, indipendentemente da quanto siano lontane. Gli scienziati studiano da tempo questo fenomeno con coppie di particelle, ma la natura offre un enigma più complesso quando sono coinvolte tre particelle. In questo scenario a tre particelle, le connessioni possono assumere forme diverse, alcune delle quali molto più fragili e intricate rispetto alle semplici coppie. Comprendere come si formano questi legami tripartiti è cruciale per il futuro del calcolo quantistico e per testare le leggi più profonde della fisica, eppure trovare un contesto naturale in cui tre particelle diventino entangled in modo controllato si è rivelato difficile.

Un team di ricercatori ha rivolto ora la propria attenzione a un processo familiare, vecchio di decenni, nella fisica delle particelle per risolvere questo enigma. Noto come processo di Bethe-Heitler, esso avviene quando un elettrone ad alta velocità si scontra con un protone, causando l'emissione da parte dell'elettrone di un lampo di luce — un fotone — mentre rimbalza. Per quasi un secolo, i fisici hanno usato questa interazione per studiare la struttura della materia e il comportamento della luce, ma hanno ampiamente ignorato l'informazione quantistica nascosta nella collisione. In un nuovo studio, gli autori propongono che questa stessa collisione agisca come un laboratorio naturale per generare l'entanglement a tre qubit. In questo contesto, un "qubit" è semplicemente un bit quantistico, l'unità fondamentale di informazione in un computer quantistico, che in questo caso è rappresentato dallo spin, o rotazione intrinseca, dell'elettrone finale, del protone finale e del fotone emesso.

I ricercatori si sono posti l'obiettivo di capire come queste tre particelle, che iniziano come entità separate, si intreccino insieme in un unico stato quantistico inseparabile. Si sono concentrati su due tipi specifici e molto ricercati di entanglement a tre particelle. Il primo è chiamato stato di Greenberger-Horne-Zeilinger, o stato GHZ, che rappresenta un livello di connessione in cui tutte e tre le particelle sono legate così strettamente che se si osserva una qualsiasi coppia di esse, esse appaiono completamente disconnesse, eppure il trio nel suo insieme rimane profondamente intrecciato. Il secondo è noto come stato W, che è leggermente più robusto; anche se una particella viene persa o ignorata, le restanti due mantengono comunque una connessione significativa. Sebbene questi stati vengano creati regolarmente in ambienti di laboratorio controllati utilizzando laser e cristalli, trovare essi in l'ambiente caotico di una collisione di particelle ad alta energia è un'impresa molto più rara.

Per investigare su questo, il team non ha costruito una nuova macchina, ma ha invece eseguito dettagliate simulazioni al computer del processo di Bethe-Heilter. Hanno modellato la collisione di un elettrone e un protone a vari livelli di energia, tracciando gli spin delle particelle in uscita per vedere se formassero i desiderati schemi di entanglement. Le simulazioni hanno rivelato che il processo è molto più ricco di quanto precedentemente ipotizzato. Regolando attentamente gli angoli con cui le particelle si diffondono e le direzioni di spin iniziali dell'elettrone e del protone entranti, i ricercatori hanno scoperto che la collisione produce naturalmente questi stati complessi. Nello specifico, nell'intervallo di energia inferiore a 5 GeV, le simulazioni hanno identificato più di 900 istanze distinte dello stato GHZ e oltre 1.200 istanze dello stato W. In ogni caso, la fedeltà, ovvero la misura di quanto perfettamente lo stato generato corrispondesse alla versione teorica ideale, superava il 99 percento.

Lo studio ha anche chiarito come questi stati vengano costruiti. I ricercatori hanno dimostrato che l'entanglement non appare tutto in una volta, ma viene costruito attraverso una sequenza di interazioni. Per prima cosa, l'elettrone e il protone possono diventare fortemente legati e poi, mentre l'elettrone emette il fotone, questa connessione viene condivisa e rimodellata per coinvolgere la terza particella. Il team ha scoperto che il tipo specifico di entanglement prodotto dipende fortemente dalla geometria della collisione. Ad esempio, quando il fotone viene emesso a un angolo molto specifico rispetto al fascio incidente, il sistema tende a formare il fragile stato GHZ. In altre regioni cinematiche, dove il fotone trasporta via una grande porzione di energia, emerge lo stato W, più robusto. Le simulazioni hanno inoltre scoperto molte variazioni inaspettate di questi stati che non rientravano nelle semplici descrizioni dei libri di testo, suggerendo che il panorama dell'informazione quantistica di questo processo sia ancora più diversificato di quanto i ricercatori avessero inizialmente anticipato.

Sebbene i risultati siano convincenti, gli autori avvertono con cautela che queste scoperte derivano da modelli informatici piuttosto che da misurazioni fisiche dirette. Il passo successivo sarebbe quello di verificare queste previsioni in un esperimento reale, il che richiederebbe rilevatori capaci di misurare simultaneamente lo spin dell'elettrone, del protone e del fotone finali. Questa è una sfida tecnica significativa, particolarmente per quanto riguarda la misurazione dello spin dell'elettrone finale, che è notoriamente difficile da rilevare. I ricercatori suggeriscono che l'uso di un fascio di muoni polarizzati invece degli elettroni potrebbe offrire una via più pratica, poiché la misurazione dello spin del muone è una tecnica ben consolidata. Se un tale esperimento potesse essere eseguito, confermerebbe che il banale, quotidiano processo di un elettrone che colpisce un protone è in realtà una fabbrica per alcuni degli stati quantistici più complessi conosciuti dalla scienza.

Questo lavoro trasforma un capitolo standard dei libri di testo di fisica in una nuova frontiera per l'informazione quantistica. Dimostra che l'intricata danza dell'entanglement non è limitata a sistemi esotici e ingegnerizzati, ma è intrecciata nel tessuto delle interazioni fondamentali delle particelle. Mostrando che una semplice collisione può generare centinaia di stati altamente entangled con una precisione quasi perfetta, lo studio apre una nuova finestra su come la natura costruisca la complessità partendo da regole semplici. La scoperta suggerisce che l'universo stia costantemente generando queste delicate connessioni quantistiche, in attesa che vengano trovati gli strumenti giusti per osservarle.