量子纠缠的速度有多快?科学家记录瞬时速度

科学家们开发出了研究量子理论快速过程的模拟,揭示了量子纠缠及其形成的奥秘。这些研究成果详细说明了如何在几阿特秒内量化和观测纠缠,表明在理解量子事件的时间动态方面取得了重大进展。

一个原子被激光脉冲击中。 一个电子被扯出原子,另一个电子则转移到能量更高的状态。 图片来源:维也纳工业大学量子理论与时间:揭示瞬时效应

量子理论涉及在极短的时间尺度内发生的事件。 过去,这些事件被认为是瞬间发生的,中间没有任何时间间隔:一个电子绕着原子核运行,眨眼之间,它突然被一道闪光射出。 同样,两个粒子相撞后也会立即发生"量子纠缠"。

然而今天,科学家们可以研究这些近乎瞬时效应的确切时间。 维也纳理工大学(TU Wien)的研究人员与来自中国的团队合作,开发了计算机模拟来探索这些超快过程。 通过这些模拟,我们可以了解量子纠缠是如何在短短的几分之一秒内形成的。 他们的研究结果发表在Physical Review Letters杂志上。

阿秒是时间的极小部分,仅持续一秒的五十亿分之一(十亿分之一的十亿分之一,或10-18)。 它通常用于测量量子物理学中的超快现象,如原子内电子的运动。

如果两个粒子发生了量子纠缠,那么分别描述它们就毫无意义。 即使你对这个双粒子系统的状态了如指掌,也无法对单个粒子的状态做出清晰的描述。"可以说,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,即使它们处于两个完全不同的地方,它们也会牢牢地结合在一起,"维也纳理工大学理论物理研究所的约阿希姆-伯格多尔费教授解释说。

在纠缠量子粒子的实验中,科学家们通常希望尽可能长时间地保持这种量子纠缠--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,我们感兴趣的是另外一些东西--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内发挥了作用,"出版物的作者之一伊娃-布热济诺娃教授说。

量子诞生时间与纠缠

研究人员观察了被极强的高频激光脉冲击中的原子。 原子中的一个电子被撕裂并飞离。 如果辐射足够强,原子中的第二个电子也有可能受到影响: 它可能转变为能量更高的状态,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,另一个电子以未知能量留在原子中。约阿希姆-伯格多尔费尔(Joachim Burgdörfer)说:"我们可以证明,这两个电子现在是量子纠缠的。只能把它们放在一起分析,才可以对其中一个电子进行测量,同时了解另一个电子的一些情况。"

现在,研究小组已经能够利用一种结合了两种不同激光束的合适测量协议,证明有可能实现这样一种情况,即飞离的电子的"出生时间"(即离开原子的时刻)与留下的电子的状态相关。 这两种特性是量子纠缠的。

"这意味着,飞走的电子的诞生时间原则上是未知的。 可以说,电子本身并不知道它是何时离开原子的,"伯格多尔费尔说。"它处于不同状态的量子物理叠加中。 它离开原子的时间点既早又晚"。

我们无法回答它"真正"是在哪个时间点--量子物理学中根本不存在这个问题的"实际"答案。 但答案与原子中剩余电子的状态--也是未确定的--存在量子物理联系: 如果剩余电子处于较高能量状态,那么飞走的电子很可能是在较早的时间点被撕裂出来的;如果剩余电子处于较低能量状态,那么飞走的自由电子的"出生时间"很可能较晚--平均约为232阿秒。

"这几乎是一个难以想象的短时间:一阿秒是十亿分之一秒。然而,这些差异不仅可以计算,还可以在实验中测量。我们已经在与希望证明这种超快纠缠的研究团队进行洽谈。"

这项工作表明,仅仅将量子效应视为"瞬时"是不够的: 只有当我们设法解析这些效应的超短时间尺度时,重要的相关性才会显现出来。"电子并不是从原子中跳出来的。 可以说,它是一种从原子中溢出的波,而这需要一定的时间,"伊娃-布热津诺娃说。"正是在这一阶段发生了纠缠,随后可以通过观察两个电子来精确测量其效果"。

编译自/SciTechDaily


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