量子纠缠有多快？科学家们记录了瞬间的速度

科学家已经开发了模拟来研究量子理论的快速过程，揭示了对量子纠缠及其形成的见解。

这些发现详细说明了纠缠如何在阿秒内被量化和观察，证明了在理解量子事件的时间动力学方面取得了重大进展。

量子理论与时间：揭示瞬时效应

量子理论研究的是在极短的时间尺度上发生的事件。在过去，这些事件被认为是瞬间发生的，中间没有时间间隔：一个电子绕原子核运行，在眨眼之间，它突然被一道闪光射出。类似地，两个粒子碰撞并立即“量子纠缠”。

然而，今天，科学家们可以研究这些几乎是瞬时效应的确切时间。来自维也纳工业大学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。这些模拟使我们能够理解量子纠缠是如何在短短阿秒内形成的。他们的研究结果发表在《物理评论快报》杂志上。

阿秒是时间的极小部分，仅持续百亿亿分之一秒（10^-18秒）。它通常用于测量量子物理学中的超快现象，例如原子内电子的运动。

量子纠缠解释

如果两个粒子是量子纠缠的，那么单独描述它们是没有意义的。即使你完全知道这个两粒子系统的状态，你也不能对单个粒子的状态做出明确的陈述。“你可以说这些粒子没有单独的性质，它们只有共同的性质。从数学的角度来看，它们紧密地联系在一起，即使它们在两个完全不同的地方，”来自维也纳工业大学理论物理研究所的Joachim Burgdörfer教授解释说。

在纠缠量子粒子的实验中，科学家通常对尽可能长时间地保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 —— 首先要找出这种纠缠是如何发展的，以及哪些物理效应在极短的时间尺度上起作用，”本出版物的作者之一Iva Březinova教授说。

量子诞生时间和纠缠

研究人员观察了被超强高频激光脉冲击中的原子。一个电子从原子中被扯出来飞走了。如果辐射足够强，原子的第二个电子也可能受到影响：它可以转移到一个能量更高的状态，然后以不同的路径绕原子核运行。

在激光脉冲之后，一个电子飞走了，另一个留在原子里，带着未知的能量。“我们可以证明这两个电子现在是量子纠缠的，”Joachim 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。”

量子物理学中的测量与奥秘

研究小组现在已经能够证明，使用一种合适的测量方案，结合两种不同的激光束，有可能实现一种情况，即电子飞走的“出生时间”，即它离开原子的那一刻，与留在原子后面的电子的状态有关。这两个性质是量子纠缠的。

“这意味着，从原则上讲，电子的诞生时间是未知的。你可以说电子本身不知道它是什么时候离开原子的，”Joachim Burgdörfer说。“它是不同状态的量子物理叠加。它使原子既停留在较早的时间点，又停留在较晚的时间点。”

它“真正”在哪个时间点是无法回答的 —— 这个问题的“实际”答案在量子物理学中根本不存在。但答案是量子物理上与留在原子里的电子的状态（也不确定）有关：如果剩下的电子处于更高的能量状态，那么飞走的电子更有可能在早期的时间点被撕裂；如果剩下的电子处于能量较低的状态，那么飞走的自由电子的“诞生时间”可能会晚一些 —— 平均约为232阿秒。

这是一个几乎难以想象的短时间：一阿秒是百亿亿分之一秒。“然而，这些差异不仅可以计算，而且可以在实验中测量，”Joachim 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。”

解决量子难题

这项工作表明，仅仅将量子效应视为“瞬间”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，重要的相关性才会变得可见。“电子不仅仅是跳出原子。可以说，这是一种从原子中溢出的波--这需要一定的时间，”Iva Březinova说。“正是在这个阶段发生了纠缠，随后可以通过观察两个电子来精确测量纠缠的效果。”

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