量子纠缠的速度有多快？科学家记录瞬时速度

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