Three-qubit entanglement in the Bethe-Heitler process

In de subatomaire wereld zijn deeltjes niet slechts kleine, harde sferen die tegen elkaar aan botsen; ze zijn ook dragers van een vreemde, onzichtbare verbinding die bekend staat als verstrengeling. Wanneer twee deeltjes verstrengeld raken, worden hun eigenschappen op een manier gekoppeld die de alledaagse logica tart: het meten van de toestand van het ene deeltje onthult onmiddellijk de toestand van het andere, ongeacht hoe ver ze van elkaar verwijderd zijn. Wetenschappers bestuderen dit fenomeen al lang met paren deeltjes, maar de natuur biedt een complexere puzzel wanneer er drie deeltjes betrokken zijn. In dit scenario met drie deeltjes kunnen de verbindingen verschillende vormen aannemen, waarvan sommige veel kwetsbaarder en ingewikkelder zijn dan eenvoudige paren. Het begrijpen van hoe deze drie-wegverbindingen ontstaan, is cruciaal voor de toekomst van quantumcomputing en voor het testen van de diepste wetten van de fysica, maar het vinden van een natuurlijke setting waarin drie deeltjes op een gecontroleerde manier verstrengeld raken, is moeilijk gebleken.

Een team onderzoekers heeft nu hun aandacht gericht op een bekend, decenniaoud proces in de deeltjesfysica om dit vraagstuk op te lossen. Dit staat bekend als het Bethe-Heitler-proces, dat optreedt wanneer een hoogsnelheidselektron tegen een proton botst, waardoor het elektron een flits van licht — een foton — uitzendt terwijl het afketst. Al bijna een eeuw gebruiken natuurkundigen deze interactie om de structuur van materie en het gedrag van licht te bestuderen, maar ze hebben de quantum-informatie die verborgen zit in de botsing grotendeels genegeerd. In een nieuwe studie stellen de auteurs voor dat precies deze botsing fungeert als een natuurlijk laboratorium voor het genereren van drie-qubit verstrengeling. In deze context is een "qubit" simpelweg een quantum-bit, de fundamentele eenheid van informatie in een quantumcomputer, die in dit geval wordt vertegenwoordigd door de spin, of intrinsieke rotatie, van het uiteindelijke elektron, het uiteindelijke proton en het uitgezonden foton.

De onderzoekers zetten zich in om te begrijpen hoe deze drie deeltjes, die als afzonderlijke entiteiten beginnen, samen worden geweven tot een enkele, onscheidbare quantumtoestand. Ze richtten zich op twee specifieke, zeer gewilde soorten drie-deeltjesverstrengeling. De eerste wordt een Greenberger-Horne-Zeilinger-toestand genoemd, of GHZ-toestand, wat een niveau van verbinding vertegenwoordigt waarbij alle drie de deeltjes zo nauw met elkaar verbonden zijn dat als je naar twee van hen kijkt, ze volledig onverbonden lijken, terwijl het trio als geheel diep verweven blijft. De tweede staat bekend als een W-toestand, die iets robuuster is; zelfs als één deeltje verloren gaat of genegeerd wordt, behouden de resterende twee nog steeds een significante verbinding. Hoewel deze toestanden routinematig worden gecreëerd in gecontroleerde laboratoriumomgevingen met behulp van lasers en kristallen, is het vinden van hen in de chaotische omgeving van een botsing met hoge energie een veel zeldzamere prestatie.

Om dit te onderzoeken, bouwde het team geen nieuwe machine, maar voerde het gedetailleerde computersimulaties uit van het Bethe-Heitler-proces. Ze modelleerden de botsing van een elektron en een proton bij verschillende energieniveaus, waarbij ze de spins van de uitgaande deeltjes volgden om te zien of ze de gewenste verstrengelde patronen vormden. De simulaties onthulden dat het proces veel rijker is dan voorheen gedacht. Door de hoeken waaronder de deeltjes verstrooien en de initiële spinrichtingen van het inkomende elektron en proton zorgvuldig aan te passen, ontdekten de onderzoekers dat de botsing van nature deze complexe toestanden produceert. Specifiek, in energiebereiken onder de 5 GeV, identificeerden de simulaties meer dan 900 afzonderlijke instanties van de GHZ-toestand en meer dan 1.200 instanties van de W-toestand. In elk geval overschreed de fideliteit, of de maatstaf voor hoe perfect de gegenereerde toestand overeenkwam met de ideale theoretische versie, de 99 procent.

De studie verduidelijkte ook hoe deze toestanden worden opgebouwd. De onderzoekers lieten zien dat de verstrengeling niet in één keer verschijnt, maar wordt geconstrueerd via een sequentie van interacties. Eerst kunnen het elektron en het proton sterk met elkaar verbonden raken, en vervolgens, terwijl het elektron het foton uitzendt, wordt deze verbinding gedeeld en hervormd om de derde partij te betrekken. Het team kwam tot de conclusie dat het specifieke type verstrengeling dat wordt geproduceerd, sterk afhangt van de geometrie van de botsing. Bijvoorbeeld, wanneer het foton wordt uitgezonden onder een zeer specifieke hoek ten opzichte van de inkomende bundel, heeft het systeem de neiging om de kwetsbare GHZ-toestand te vormen. In andere kinematische regio's, waar het foton een groot deel van de energie meeneemt, ontstaat de meer robuuste W-toestand. De simulaties brachten ook veel onverwachte variaties van deze toestanden aan het licht die niet pasten bij eenvoudige tekstboekbeschrijvingen, wat suggereert dat het landschap van de quantum-informatie in dit proces nog diverser is dan de onderzoekers aanvankelijk hadden verwacht.

Hoewel de resultaten veelbelovend zijn, merken de auteurs voorzichtig op dat deze bevindingen voortkomen uit computermodellen in plaats van directe fysieke metingen. De volgende stap zou zijn om deze voorspellingen te verifiëren in een echt experiment, wat detectoren vereist die in staat zijn om de spin van het uiteindelijke elektron, proton en foton simultaan te meten. Dit is een aanzienlijke technische uitdaging, met name voor het meten van de spin van het uiteindelijke elektron, wat berucht moeilijk te detecteren is. De onderzoekers suggereren dat het gebruik van een bundel gepolariseerde muonen in plaats van elektronen een praktischere weg voorwaarts kan bieden, aangezien het meten van de muonspin een goed gevestigde techniek is. Als een dergelijk experiment uitgevoerd kan worden, zou het bevestigen dat het alledaagse proces van een elektron dat tegen een proton botst, in werkelijkheid een fabriek is voor enkele van de meest complexe quantumtoestanden die de wetenschap kent.

Dit werk transformeert een standaard hoofdstuk in natuurkundeboeken in een nieuwe grens voor quantum-informatie. Het laat zien dat de complexe dans van verstrengeling niet beperkt is tot exotische, kunstmatig vervaardigde systemen, maar verweven is in het weefsel van fundamentele deeltjesinteracties. Door aan te tonen dat een eenvoudige botsing honderden hoogverstrengelde toestanden met bijna perfecte precisie kan genereren, opent de studie een nieuw venster naar hoe de natuur complexiteit opbouwt vanuit eenvoudige regels. De ontdekking suggereert dat het universum constant deze delicate quantumverbindingen genereert, wachtend tot de juiste instrumenten worden gevonden om ze te observeren.