Spin-State Teleportation and Tests of EPR Correlations Using 151 MeV Entangled Protons

Nel mondo subatomico, particelle come i protoni non si comportano sempre come individui isolati. A volte, due protoni possono diventare così profondamente legati da condividere un'unica esistenza quantistica, un fenomeno noto come entanglement. In questo stato, le proprietà di una particella, come il suo spin o il momento angolare intrinseco, sono inestricabilmente legate all'altra, indipendentemente da quanto lontano si allontanino. Questa connessione sfida la nostra intuizione quotidiana sugli oggetti separati, eppure è una caratteristica ben stabilita della meccanica quantistica. Gli scienziati si sono a lungo interessati a sapere se questo strano legame possa essere utilizzato per spostare informazioni. Nello specifico, si sono chiesti se lo stato quantistico di una particella possa essere trasferito a un'altra senza trasportare fisicamente la particella stessa, un processo chiamato teletrasporto. Sebbene questo concetto sia stato dimostrato con la luce e gli atomi, testarlo con i protoni — i pesanti mattoni dei nuclei atomici — presenta una sfida unica. I protoni sono difficili da controllare alle energie e agli angoli precisi richiesti per mantenere i loro delicati legami quantistici, e i tentativi precedenti di farlo si sono limitati a velocità molto basse, dove le particelle perdono troppa energia per essere utili.

Un ricercatore dell'Università Jagellonica in Polonia ha ora esplorato se questo teletrasporto quantistico possa funzionare con protoni che si muovono a velocità molto più elevate, specificamente a un'energia di 151 MeV. Il suo lavoro, dettagliato in uno studio recente, indaga un complesso sistema a tre protoni per vedere se le regole della meccanica quantistica permettono il trasferimento dello stato di spin di un protone in queste condizioni più energetiche. Il ricercatore ha scoperto che, sebbene l'ambiente ad alta energia cambi la natura dell'entanglement, esso non distrugge la possibilità del teletrasporto. Tuttavia, ottenere questo richiede una configurazione specifica e piuttosto controintuitiva. A differenza degli esperimenti precedenti che si basavano su semplici collisioni tra due protoni, questo nuovo approccio propone che la coppia entangled venga creata attraverso la rottura di un deuterone — una forma pesante del nucleo di idrogeno — da parte di un protone ad alta velocità. Questa specifica reazione, che avviene in precise condizioni geometriche, suggerisce di produrre una coppia di protoni che siano entangled in modo tale da permettere a uno di essi di interagire con un bersaglio e trasferire il proprio stato quantistico al proprio partner.

Il nucleo dell'esperimento consiste in una sequenza di eventi che inizia con la creazione di questa coppia entangled. Il ricercatore propone di sparare un fascio di protoni contro un bersaglio contenente deuteroni. Quando un protone ad alta energia colpisce un deuterone, può causare la rottura del deuterone, rilasciando un neutrone e due protoni. Selezionando attentamente l'angolo e l'energia del fascio incidente, lo scienziato mira a garantire che i due protoni in uscita siano prodotti con quantità di moto uguale e siano bloccati in uno stato entangled specifico. In questo stato, i due protoni sono così fortemente correlati che misurare lo spin di uno rivela immediatamente lo spin dell'altro. Il ricercatore prende poi uno di questi protoni entangled e lo scaglia contro un secondo bersaglio fatto di idrogeno polarizzato, dove i protoni sono allineati in una direzione specifica. L'interazione tra il protone in volo e il protone bersaglio agisce come l'innesco per il processo di teletrasporto.

Ciò che il ricercatore ha scoperto è che questa interazione trasferisce la polarizzazione, o l'orientamento dello spin, del protone bersaglio al secondo membro della coppia entangled, ma questo risultato è strettamente valido solo, o è meglio approssimato, quando lo scattering avviene a un angolo molto specifico, circa 45 gradi nel sistema di riferimento del laboratorio. Ciò accade anche se il secondo protone non tocca mai il bersaglio. Il processo funziona perché l'entanglement iniziale tra i due protoni in volo è così forte che il cambiamento nello stato del primo si riflette istantaneamente nel secondo. Lo studio mostra che, affinché questo trasferimento sia pulito ed efficace, lo scattering debba avvenire a questo angolo specifico. A questo angolo, la meccanica quantistica della collisione si semplifica, permettendo a un'unica interazione dominante di prendere il sopravvento, il che garantisce che il teletrasporto sia preciso. Se l'angolo devia anche solo leggermente, la chiarezza del trasferimento inizia a sfumare e l'entanglement viene contaminato da altri effetti.

Il ricercatore ha anche esaminato cosa accade se il bersaglio non è polarizzato, ovvero se i protoni nel bersaglio non sono allineati in alcuna direzione specifica. In questo scenario, ha scoperto che lo scattering di uno dei protoni entangled contro il bersaglio induce una polarizzazione in quel protone diffuso. A causa del forte legame quantistico, questa polarizzazione indotta viene riflessa nel secondo protone, quello non diffuso. Il protone non diffuso, che partiva senza polarizzazione, acquisisce improvvisamente un orientamento di spin che corrisponde al primo, con la sua direzione determinata dal tipo specifico di entanglement che condividevano. Questa scoperta offre un modo più semplice per testare le famose correlazioni di Einstein-Podolsky-Rosen, che descrivono queste connessioni "spettrali", perché non richiede il difficile da mantenere bersaglio polarizzato usato nella configurazione completa di teletrasporto.

Tuttavia, il percorso verso questo risultato non è stato una linea retta. Il ricercatore ha dovuto escludere un metodo più diretto che era stato considerato per gli esperimenti ad alta energia. Ha dimostrato che far collidere semplicemente due protoni a 151 MeV per creare una coppia entangled non funzionerebbe per il teletrasporto. In quella collisione standard, i due protoni risultanti avrebbero ciascuno solo metà dell'energia del fascio incidente, scendendo a circa 75,5 MeV. A questa energia più bassa, le condizioni quantistiche necessarie affinché il teletrasporto avvenga non sono più presenti. L'interazione dominante che rende possibile il teletrasporto scompare a 75,5 MeV, il che significa che il secondo passaggio del processo fallirebbe. Questa realizzazione ha costretto il ricercatore ad abbandonare l'idea della semplice collisione tra due protoni e a proporre il metodo più complesso della rottura a tre corpi, dove la collisione iniziale ha un'energia sufficientemente alta da produrre la coppia entangled al corretto livello di 151 MeV.

Attraverso simulazioni numeriche dettagliate utilizzando modelli realistici di come interagiscono i protoni, il ricercatore ha confermato che la sua configurazione proposta è teoricamente solida. Ha calcolato gli stati finali dei protoni e ha scoperto che il trasferimento della polarizzazione è quasi perfetto entro la stretta finestra di angoli in cui l'entanglement è più forte. Le simulazioni hanno tenuto conto delle complesse forze tra i protoni, inclusa la repulsione elettrica che provano l'uno dall'altro, per garantire che le previsioni fossero accurate. I risultati indicano che la polarizzazione del protone bersaglio è fedelmente trasferita al partner distante, con il segno della polarizzazione che dipende dal tipo specifico di stato entangled formato. Questo lavoro suggerisce che, sebbene gli ostacoli tecnici siano significativi, la fisica del teletrasporto quantistico con i protoni ad alte energie è non solo possibile, ma segue un percorso chiaro e prevedibile.

Lo studio conclude sottolineando come questo approccio ad alta energia offra una nuova prospettiva per testare la natura fondamentale della realtà quantistica. Allontanandosi dal regime a bassa energia dove le perdite di energia sono state un grande ostacolo, il ricercatore ha aperto una nuova via per la sperimentazione. La capacità di generare e manipolare questi stati entangled a 151 MeV potrebbe portare a test più robusti della meccanica quantistica, liberi dalle limitazioni che hanno afflitto i tentativi precedenti. Sebbene l'esperimento non sia ancora stato eseguito in un laboratorio, il lavoro teorico gettato da questo articolo fornisce una chiara tabella di marcia su cosa aspettarsi. Dimostra che le strane connessioni non locali del mondo quantistico possono essere sfruttate anche nell'ambiente ad alta energia della fisica nucleare, a condizione che le condizioni siano impostate con abbastanza precisione da lasciare che le interazioni quantistiche dominanti emergano chiaramente.