量子纠缠有多快？科学家在阿秒尺度上对其进行研究

Josiah02

量子理论描述的是极短时间内发生的事件。过去，这类事件被认为是“瞬间”或“瞬时”的：一个电子绕着原子核旋转——下一刻它突然被一道闪光撕裂。两个粒子相撞——下一刻它们突然“量子纠缠”。
然而，如今，我们可以研究这种几乎“瞬时”效应的时间发展。维也纳技术大学与中国的研究团队合作开发了可用于模拟超快过程的计算机模拟。这使得人们能够发现量子纠缠如何在阿秒的时间尺度上产生。
该研究结果目前已发表在《物理评论快报》杂志上。
两个粒子——一个量子物体
如果两个粒子之间是量子纠缠的，那么单独描述它们是没有意义的。即使你非常了解这个双粒子系统的状态，你也无法清楚地表述单个粒子的状态。
“你可以说这些粒子没有单独的属性，它们只有共同的属性。从数学的角度来看，它们紧密地结合在一起，即使它们位于两个完全不同的地方，”维也纳技术大学理论物理研究所的 Joachim Burgdörfer 教授解释道。
在纠缠量子粒子实验中，科学家通常对尽可能长时间维持这种量子纠缠感兴趣——例如，如果他们想将量子纠缠用于量子密码学或量子计算机。
“另一方面，我们感兴趣的是其他东西——找出这种纠缠最初是如何形成的，以及哪些物理效应在极短的时间尺度上发挥作用，”本文作者之一伊娃·布雷齐诺娃 (Iva Březinová) 教授说道。
一个电子冲走了，另一个留在原子里
研究人员观察了被极强高频激光脉冲击中的原子。电子从原子中脱离出来并飞走。如果辐射足够强，原子的第二个电子也可能受到影响：它可以转移到具有更高能量的状态，然后以不同的路径绕原子核运行。
因此，在激光脉冲之后，一个电子飞走了，另一个电子留在原子中，能量未知。“我们可以证明这两个电子现在是量子纠缠的，”Burgdörfer 说。“你只能一起分析它们——你可以对其中一个电子进行测量，同时了解另一个电子的情况。”
电子本身不知道它何时“诞生”
研究团队现在能够证明，使用结合两种不同激光束的合适测量协议，可以实现这样一种情况，即飞离电子的“诞生时间”，即它离开原子的那一刻，与留下的电子的状态相关。这两个属性是量子纠缠的。
“这意味着，原则上无法得知飞离的电子的诞生时间。你可以说，电子本身并不知道它何时离开原子，”Burgdörfer 说。“它处于不同状态的量子物理叠加中。它在较早和较晚的时间点离开了原子。”
它“真正”处于哪个时间点无法回答——这个问题的“实际”答案在量子物理学中根本不存在。但答案在量子物理上与原子中剩余电子的状态有关——同样未确定。如果剩余电子处于较高能量状态，那么飞走的电子更有可能在早期被撕裂；如果剩余电子处于较低能量状态，那么飞走的自由电子的“诞生时间”可能更晚——平均约为 232 阿秒。
这是一个几乎难以想象的短暂时间：一阿秒是十亿分之一秒的十亿分之一。“然而，这些差异不仅可以计算，还可以在实验中测量，”Burgdörfer 说。“我们已经在与想要证明这种超快纠缠的研究团队进行谈判。”
“瞬时”事件的时间结构
这项研究表明，仅仅将量子效应视为“瞬时”是不够的。只有当人们设法解决这些效应的超短时间尺度时，重要的相关性才会显现出来。
“电子不会直接跳出原子。可以说，它是从原子中溢出的波，这需要一定的时间，”Březinová 说。“正是在这个阶段发生了纠缠，之后可以通过观察两个电子来精确测量纠缠的效果。”