浙江
瑞典乌普萨拉大学的研究团队近日提出了一种全新的时间测量方法，最大特点是在实验中无需事先知道事件的起始时刻，也就是传统意义上的“时间零点”。这一方法依托氦原子在强激发状态下的量子演化行为，通过分析其在短脉冲光照射后随时间变化的特征“指纹”，直接读出已经过去的时间长度，为那些无法准确确定起始瞬间的超快物理与化学过程提供了一种全新的时间刻度工具。
在这项工作中，研究人员首先利用短脉冲光将氦原子激发到一组所谓的里德伯态，并让原子处于多种里德伯态叠加的量子“叠加态”。里德伯态是电子远离原子核、能量极高的一类原子激发态，对环境极为敏感，而量子叠加意味着原子同时以多种量子状态存在，其整体随时间演化会形成复杂的波包结构。传统做法是从激发瞬间开始精确计时，而这项研究的切入点则是，在一定时间后施加第二束光脉冲，测量氦原子被电离、即失去电子并变成带电离子的概率，再将这些测量结果与理论模型比对，从而反推出自里德伯态形成以来已经过去的时间。
研究团队负责人 Johan Söderström 形象地将这一过程类比为“读卷尺”：不必亲眼看见别人从零刻度开始量距离，只要看当前读数，就能知道与起点的距离差异是 5 厘米还是 4000 米。在该方法中，氦原子的里德伯态叠加随时间演化，会在可观测量上留下独特的变化图样——也就是所谓的时间“指纹”，这相当于量子波包演化在观测空间中的投影。通过分析这一指纹并与理论计算进行匹配，研究人员只需在一个有限时间窗口内观测，就能直接读出从波包生成到观测时刻之间的具体“时间距离”。
论文指出，这种量子指纹本身还具有“自校验”功能：波包随时间演化的细节结构，为所对应的时间刻度提供了内部一致性检验，从而提升测量结果的可靠性。具体实验上，团队结合了理论模拟与时间分辨光电子能谱技术，即使用两束精确控制时间间隔的光脉冲，一束用于激发氦原子形成里德伯态波包，另一束用于打掉电子并记录光电子信号随时间的演化。实验结果与理论预测高度吻合，表明通过这种方法不仅能够获取时间信息，还可以反推氦原子里德伯态中的“量子缺陷”等细微能量差异，从而帮助加深对原子结构的理解。
研究人员再次以卷尺作比：在记录短距离时，只需要读出卷尺的一小段刻度，而测量长距离则需要更长的刻度范围。对应到时间测量上，如果事件距离“未知起点”很近，仅需观测较短时间区间的指纹就足以还原时间；而对于离起点更久远的演化，则必须记录更长时间跨度内的指纹，以确保匹配到正确的时间刻度。因此，这种方法并非一成不变的单一测量流程，而是根据待测时间长短动态调整所需数据量，为不同时间尺度的实验提供灵活的量子计时方案。
值得注意的是，这项研究的大部分实验工作是在新冠疫情期间，在乌普萨拉大学部分设施暂时关闭的背景下，于 Ångström 实验室的 HELIOS 装置中完成的。在相对封闭的环境中，团队得以集中利用实验时间，对该时间指纹方法进行反复验证和优化。在初步证明方法可行之后，研究人员进一步提出，将来有望将这一方法扩展到分子体系，例如用来研究分子解离过程及其对里德伯态的影响，以评估该技术在更复杂物理系统中的普适性。
尽管这种新方法在概念上能够提供绝对时间刻度，其设计初衷并不是替代日常生活中使用的传统时钟。研究团队明确表示，它更适合作为泵浦—探测光谱实验中的专用工具，用于那些需要以极短时间分辨率观察快过程演化的场景。在此类实验中，第一束脉冲触发过程，第二束脉冲负责拍摄“时间快照”，但起始瞬间往往难以精确界定甚至不可直接观测，而这套量子指纹方法则有望在不先确定“时间零点”的前提下，为这些快过程提供绝对时间标尺。
从更广阔的视角看，这项研究为在“无起点信息”的条件下测量时间提供了一种新思路，即完全依赖量子态本身的演化来编码和解码时间信息，而不是使用传统的计数机构。研究人员指出，该方法并不适用于所有类型的时间测量，但在现有技术难以准确锁定起始时刻的实验领域，或在研究原子与分子内部超快过程时，它可能成为一种精度极高且具有独特优势的补充工具。相关成果目前已在学术期刊上发表，并得到乌普萨拉大学与美国物理学会等机构的关注，被视为量子时间测量研究路径上的一次重要探索。
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