Czy zderzające się cząstki pozostają ze sobą połączone w niewidzialny sposób? Naukowcy z Narodowego Centrum Badań Jądrowych pokazują, jak zmierzyć jedno z najbardziej zagadkowych zjawisk fizyki – splątanie kwantowe – nawet wtedy, gdy jest ono niemal nieuchwytne.

Splątanie kwantowe to jedno z najbardziej niezwykłych zjawisk w przyrodzie. Oznacza, że dwie cząstki mogą być ze sobą powiązane w taki sposób, że pomiar jednej natychmiast mówi nam coś o drugiej – nawet jeśli dzieli je ogromna odległość. Nic dziwnego, że Albert Einstein nazwał to zjawisko „upiornym oddziaływaniem na odległość”.

Choć splątanie jest fundamentem nowoczesnych technologii, takich jak komputery czy kryptografia kwantowa, wciąż nie rozumiemy go w pełni. Jedno z kluczowych pytań brzmi: co dzieje się ze splątaniem podczas zderzeń cząstek, np. w akceleratorach takich jak Wielki Zderzacz Hadronów? Na to pytanie postanowili odpowiedzieć naukowcy z Narodowego Centrum Badań Jądrowych – prof. Kamila Kowalska i prof. Enrico Sessolo.

Jak powstaje splątanie w zderzeniu?

Wyobraźmy sobie dwie cząstki jak monety. Przed zderzeniem są niezależne – każda może wypaść „orłem” lub „reszką”. Jednak po zderzeniu sytuacja się zmienia: wynik jednej „monety” może natychmiast określać wynik drugiej. To właśnie splątanie. w rzeczywistości chodzi o bardziej złożone cechy cząstek, takie jak spin czy tzw. „zapach” kwantowy, ale idea pozostaje podobna.

Nowe podejście: patrzeć szerzej, nie dokładniej

Zamiast analizować pojedyncze, konkretne zderzenia, badacze przyjęli inne podejście. Uśrednili wszystkie możliwe kierunki, w których mogą poruszać się cząstki po zderzeniu. Dzięki temu uzyskali „średni obraz” splątania.

Okazało się, że takie splątanie jest zazwyczaj bardzo słabe – ale nie znika całkowicie. Problem w tym, że jego dokładne obliczenie jest zwykle niezwykle trudne.

Prosty wzór na trudne zjawisko

Najważniejszym osiągnięciem zespołu jest opracowanie prostego wzoru, który pozwala określić poziom splątania bez konieczności analizowania całego skomplikowanego układu kwantowego. Zamiast tego wystarczy obliczyć jedno konkretne prawdopodobieństwo: jak często cząstki „musną się” podczas zderzenia i zmienią swoje właściwości, lecąc dalej w tym samym kierunku. To znacznie upraszcza pracę – i może zaoszczędzić naukowcom ogromną ilość czasu.

Co pokazały przykłady?

Badacze sprawdzili swoją metodę w znanych modelach fizyki cząstek. Wyniki były zaskakujące: w niektórych przypadkach splątanie powstaje dzięki zmianie „tożsamości” cząstek podczas zderzenia, w innych – mimo że lokalnie może być silne – po uśrednieniu praktycznie znika.

Dlaczego to ważne?

Nowe wyniki łączą dwa ważne obszary nauki: fizykę cząstek elementarnych i teorię informacji kwantowej. Dzięki temu lepiej rozumiemy, jak fundamentalne oddziaływania generują efekty kwantowe. w przyszłości może to pomóc w analizie danych z akceleratorów cząstek, w odkrywaniu nowych zjawisk fizycznych, a nawet w rozwoju technologii kwantowych.

Pełne wyniki badań są dostępne w publikacji: Kowalska, K., Sessolo, E.M. Qubit entanglement from forward scattering. J. High Energ. Phys. 2026, 14 (2026). https://doi.org/10.1007/JHEP04(2026)014