量子纠缠的发生需要多久？

赛先生 · 公众号 · 科学 · 2024-10-27 17:41

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当原子被激光脉冲击中之后，一个电子“逃”走了，另一个则留在原子里，并获得了未知的能量。（图/via TU WIEN）

导读：

我们知道，量子理论描述的是在极短时间尺度上发生的事件。在过去，这样的事件被认为是“ 瞬时的 ”。比如一个电子绕原子核运行，在下一个瞬间，它突然就被一道闪光撕裂。再比如，两个粒子碰撞，然后它们突然就发生了量子纠缠 ——对其中一个粒子进行测量，就能瞬时了解另一个粒子的信息，无论它们相距多远。

2024年10月15日，在一项新发表于《物理评论快报》的新研究中，研究人员从时间演化的角度对这种“瞬时效应”进行了研究，他们在阿秒（1阿秒 = 1×10^ -18 秒）级时间尺度上探讨了量子纠缠的产生。

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探索纠缠的诞生 ‍

当两个粒子处于量子纠缠态时，那么就不能再对它们各自的特性进行单独性的描述——即使我们完美地知晓这个两粒子系统的状态，也无法对其中的某一个的状态做出明确描述。可以说，处于量子纠缠态的粒子是没有单独的性质的，只有共同性质。从数学的角度来看，它们紧密地关联在一起，即使它们处在两个完全不同的地方。

在过去的大多数涉及纠缠粒子的实验中，科学家主要聚焦于如何能尽可能长时间地维持量子纠缠，因为这一点对将量子纠缠应用于量子密码学、量子计算机等领域至关重要。

在新的研究中，研究人员想要探索的是：纠缠在最开始时是如何产生的，以及有哪些物理效应在极短的时间尺度上发挥了作用。

在实验中，他们使用超强的高频激光脉冲来瞄准原子，并观察到当原子被击中时，一个电子会从中射出。如果辐射足够强， 原子中可能还会有第二个受影响的电子——它会转变成一个更高能量的状态，然后以不同的路径绕原子核运行。

研究人员通过使用一种结合了两种不同激光束的测量方法，发现 逃走的电子离开原子的那一刻，与留在原子中的电子状态是相关的 ——这两个电子发生了量子纠缠。 然而，逃走的电子的“出逃时刻”是未知的，因为根据量子理论，它存在于不同状态的叠加态中。这意味着，逃走的电子是同时处在一个既更早、又更晚的时间点离开的原子，这与被留下的那个电子的能量状态有关——而这同样是未知的。

实验结果表明，如果被留下的电子处于更高的能量状态，那么逃走的电子的出逃时间就有可能在一个更早的时间点；如果被留下的电子处于能量较低的状态，那么逃走的电子的出逃时间就可能晚一点，平均约晚232阿秒。这是一个短到几乎难以想象的时间。然而，这些差异不仅可以通过理论计算出来，还有可能通过实验测量。

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瞬时事件的时间结构 ‍

这项工作表明，量子纠缠会在极短的时间内发生，而这种时间发展是理解纠缠态如何演变的关键。只有当聚焦这些效应的超短时间尺度时，重要的相关性才会显现出来。逃走的那个电子并非跳出了原子，而是一种从原子中溢出的波，因此我们可以说这个过程是需要一定时间的。而正是在这个阶段，纠缠发生了，这种效应可以通过观察两个电子而被精确测量。

这些发现挑战了量子事件是“瞬时发生”的观念，表明仅仅将量子效应看作是“瞬时的”是不够的。

参考资料：

1.https://www.tuwien.at/en/tu-wien/news/news-articles/news/wie-schnell-ist-quantenverschraenkung

2.https://www.spacedaily.com/reports/How_quantum_entanglement_unfolds_in_attoseconds_999.html

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