科學家們發展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如何在幾阿特秒內量化和觀測糾纏，顯示在理解量子事件的時間動態方面取得了重大進展。

一個原子被雷射脈衝擊中。 一個電子被扯出原子，另一個電子則轉移到能量較高的狀態。 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運行，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，開發了電腦模擬來探索這些超快過程。 透過這些模擬，我們可以了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。

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，也無法對單一粒子的狀態做出清楚的描述。 “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。

在糾纏量子粒子的實驗中，科學家通常希望盡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電腦。 “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雷射脈衝擊中的原子。 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著原子核運行。

因此，在雷射脈衝之後，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，同時了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雷射光束的合適測量協議，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。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–存在量子物理聯繫： 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像的短時間：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出的波，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