量子纠缠的速度有多快？科学家揭示瞬间现象的奥秘

量子理论中的事件往往发生在难以想象的短时间尺度上。在过去，这些事件被认为是瞬间发生的，没有中间过程：例如，一个电子绕着原子核运动，突然在一道光的闪烁下被弹出。同样，两个粒子碰撞并立即形成“量子纠缠”。然而，现在的科学家们可以研究这些几乎瞬间效应的确切时间。来自维也纳技术大学（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。这些模拟让我们理解量子纠缠是如何在短短的阿秒（attoseconds）内形成的。他们的发现已经发表在《物理评论快报》杂志上。

量子理论涉及的事件在极其短暂的时间尺度上发生。在以前，这些事件被认为是瞬间发生的，没有中间时间：一个电子绕着原子核运动，突然在一道光的闪烁下被弹出。同样，两个粒子碰撞并立即形成“量子纠缠”。
今天，科学家们可以研究这些几乎瞬间效应的确切时机。维也纳技术大学的研究人员与中国的团队合作，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的阿秒内形成的。他们的研究结果发表在《物理评论快报》上。
如果两个粒子是量子纠缠的，那么单独描述它们就没有意义。即使你完全知道这两个粒子系统的状态，你也不能对单个粒子的状态做出明确的陈述。“你可以说粒子没有各自的属性，它们只有共同的属性。从数学的角度来看，它们是紧密联系在一起的，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教授解释说。
在涉及纠缠量子粒子的实验中，科学家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。“然而，我们感兴趣的是另一件事——了解这种纠缠最初是如何发展的，以及在极短的时间尺度上哪些物理效应起作用，”当前出版物的作者之一Iva Březinová教授说。
研究人员观察了被极强高频激光脉冲击中的原子。一个电子被从原子中撕裂出来并飞走。如果辐射足够强，原子中的第二个电子也可能受到影响：它可以被转移到一个更高能量的状态，然后沿着不同的路径绕原子核运动。
所以在激光脉冲之后，一个电子飞走，一个电子以未知的能量留在原子中。“我们可以展示这两个电子现在量子纠缠了，”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状态。”
研究团队现在已经能够通过使用两种不同的激光束的适当测量协议来展示，可以实现这样一种情况，即飞离电子的“诞生时间”，即它离开原子的时刻，与留在原子中的电子的状态相关。这两种属性是量子纠缠的。“这意味着飞离电子的诞生时间原则上是未知的。你可以说电子本身不知道它何时离开了原子，”Joachim Burgdörfer说。“它处于不同状态的量子物理叠加中。它在时间上早一点和晚一点都离开了原子。”
这个问题的“真实”答案无法回答——在量子物理中，这个问题的“真实”答案根本就不存在。但这个答案与留在原子中的电子的状态——也是未确定的——量子物理上是联系的：如果留在原子中的电子处于更高能量的状态，那么飞走的电子更有可能在时间的早期被撕裂出来；如果留在原子中的电子处于更低能量的状态，那么飞走的自由电子的诞生时间可能更晚——平均大约在232阿秒左右。
这是一个几乎无法想象的短时间：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，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讨论。”
这项工作表明，仅仅将量子效应视为“瞬间”的还不够：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。“电子并不是简单地从原子中跳出来。它就像从原子中溢出的波——在那一时刻，纠缠就发生了，这种效应随后可以通过观察两个电子来精确测量。”
这项研究揭示了量子纠缠并非瞬间发生，而是在极短的时间内形成。通过精确测量这些超短时间尺度上的效应，科学家们能够观察到重要的相关性，并进一步理解量子事件的时间动态。随着对量子纠缠形成过程的深入了解，我们有望在未来看到量子技术在量子计算和量子通信等领域的更多创新应用。我们邀请您在评论区分享您对这项研究的看法，以及它可能对量子科学领域带来的影响。
参考资料：DOI： 10.1103/PhysRevLett.133.163201