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量子糾纏的速度有多快?科學家記錄瞬時速度

2024-11-23 10:41:48

科學家們開發出了研究量子理論快速過程的模擬,揭示了量子糾纏及其形成的奧秘。這些研究成果詳細說明了如何在幾阿特秒內量化和觀測糾纏,表明在理解量子事件的時間動態方面取得了重大進展。

一個原子被鐳射脈衝擊中。 一個電子被扯出原子,另一個電子則轉移到能量更高的狀態。 圖片來源:維也納工業大學

量子理論與時間:揭示瞬時效應

量子理論涉及在極短的時間尺度內發生的事件。 過去,這些事件被認為是瞬間發生的,中間沒有任何時間間隔:一個電子繞著原子核執行,眨眼之間,它突然被一道閃光射出。 同樣,兩個粒子相撞後也會立即發生"量子糾纏"。

然而今天,科學家們可以研究這些近乎瞬時效應的確切時間。 維也納理工大學(TU Wien)的研究人員與來自中國的團隊合作,開發了計算機模擬來探索這些超快過程。 透過這些模擬,我們可以瞭解量子糾纏是如何在短短的幾分之一秒內形成的。 他們的研究結果發表在Physical Review Letters雜誌上。

阿秒是時間的極小部分,僅持續一秒的五十億分之一(十億分之一的十億分之一,或10-18)。 它通常用於測量量子物理學中的超快現象,如原子內電子的運動。

如果兩個粒子發生了量子糾纏,那麼分別描述它們就毫無意義。 即使你對這個雙粒子系統的狀態瞭如指掌,也無法對單個粒子的狀態做出清晰的描述。"可以說,粒子沒有單獨的屬性,它們只有共同的屬性。 從數學的角度來看,即使它們處於兩個完全不同的地方,它們也會牢牢地結合在一起,"維也納理工大學理論物理研究所的約阿希姆-伯格多爾費教授解釋說。

在糾纏量子粒子的實驗中,科學家們通常希望儘可能長時間地保持這種量子糾纏--例如,如果他們想將量子糾纏用於量子密碼學或量子計算機。"另一方面,我們感興趣的是另外一些東西--找出這種糾纏最初是如何形成的,以及哪些物理效應在極短的時間尺度內發揮了作用,"出版物的作者之一伊娃-布熱濟諾娃教授說。

量子誕生時間與糾纏

研究人員觀察了被極強的高頻鐳射脈衝擊中的原子。 原子中的一個電子被撕裂並飛離。 如果輻射足夠強,原子中的第二個電子也有可能受到影響: 它可能轉變為能量更高的狀態,然後以不同的路徑繞原子核執行。

因此,在鐳射脈衝之後,一個電子飛走,另一個電子以未知能量留在原子中。約阿希姆-伯格多爾費爾(Joachim Burgdörfer)說:"我們可以證明,這兩個電子現在是量子糾纏的。只能把它們放在一起分析,才可以對其中一個電子進行測量,同時瞭解另一個電子的一些情況。"

現在,研究小組已經能夠利用一種結合了兩種不同鐳射束的合適測量協議,證明有可能實現這樣一種情況,即飛離的電子的"出生時間"(即離開原子的時刻)與留下的電子的狀態相關。 這兩種特性是量子糾纏的。

"這意味著,飛走的電子的誕生時間原則上是未知的。 可以說,電子本身並不知道它是何時離開原子的,"伯格多爾費爾說。"它處於不同狀態的量子物理疊加中。 它離開原子的時間點既早又晚"。

我們無法回答它"真正"是在哪個時間點--量子物理學中根本不存在這個問題的"實際"答案。 但答案與原子中剩餘電子的狀態--也是未確定的--存在量子物理聯絡: 如果剩餘電子處於較高能量狀態,那麼飛走的電子很可能是在較早的時間點被撕裂出來的;如果剩餘電子處於較低能量狀態,那麼飛走的自由電子的"出生時間"很可能較晚--平均約為232阿秒。

"這幾乎是一個難以想象的短時間:一阿秒是十億分之一秒。然而,這些差異不僅可以計算,還可以在實驗中測量。我們已經在與希望證明這種超快糾纏的研究團隊進行洽談。"

這項工作表明,僅僅將量子效應視為"瞬時"是不夠的: 只有當我們設法解析這些效應的超短時間尺度時,重要的相關性才會顯現出來。"電子並不是從原子中跳出來的。 可以說,它是一種從原子中溢位的波,而這需要一定的時間,"伊娃-布熱津諾娃說。"正是在這一階段發生了糾纏,隨後可以透過觀察兩個電子來精確測量其效果"。

編譯自/SciTechDaily

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