量子纠缠有多快?

诸平

An atom is hit by a laser pulse. One electron is ripped out of the atom, another electron is shifted into a state with higher energy.

据奥地利维也纳理工大学（Vienna University of Technology简称TU Wien）2024年10月22日提供的消息，量子纠缠有多快？（How fast is quantum entanglement?）

量子纠缠（quantum entanglement）的出现是自然界中最快的过程之一。维也纳理工大学（TU Wien）的科学家表明，使用特殊的技巧，可以在阿秒尺度（attosecond scale）上进行研究。

量子理论描述的是在极短的时间尺度上发生的事件。在过去，这样的事件被认为是瞬时或瞬间的：一个电子绕原子核运行——在下一个瞬间，它突然被一道闪光撕裂。两个粒子碰撞后，下一刻它们就会突然发生量子纠缠。

然而，今天，可以研究这种几乎瞬时效应的时间发展（temporal development）。与来自中国的研究团队一起，维也纳理工大学开发了可用于模拟超快过程的计算机模拟。这使得在阿秒的时间尺度上发现量子纠缠是如何产生的成为可能。相关研究结果2024年10月15日已经在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志网站在线发表——Wei-Chao Jiang1, Ming-Chen Zhong, Yong-Kang Fang, Stefan Donsa, Iva Březinová, Liang-You Peng, Joachim Burgdörfer. Time Delays as Attosecond Probe of Interelectronic Coherence and Entanglement. Physical Review Letters, 2024, 133: 163201. DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.163201. Published 15 October 2024. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.163201

参与此项研究的除了来自奥地利维也纳理工大学的研究人员之外，还有来自中国的深圳大学（Shenzhen University, Shenzhen, China）、北京大学（Peking University, Beijing, China）、山西大学（Shanxi University, Taiyuan, Shanxi, China）的研究人员。

两个粒子，一个量子物体（Two particles - one quantum object）

如果两个粒子是量子纠缠的，那么单独描述它们是没有意义的。即使你完全知道这个两粒子系统的状态，你也不能对单个粒子的状态做出明确的陈述。“你可以说这些粒子没有单独的性质，它们只有共同的性质。从数学的角度来看，它们紧密地联系在一起，即使它们在两个完全不同的地方，”来自维也纳理工大学理论物理研究所（Institute of Theoretical Physics at TU Wien）的Joachim Burgdörfer教授解释说。

在纠缠量子粒子的实验中，科学家通常对尽可能长时间地保持这种量子纠缠感兴趣——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，我们感兴趣的是别的东西——首先要找出这种纠缠是如何发展的，以及哪些物理效应在极短的时间尺度上起作用，”上述研究论文的作者之一Iva Březinová教授说。

一个电子跑了，一个留在原子里（One electron rushes away, one stays with the atom）

研究人员观察了被超强高频激光脉冲击中的原子。一个电子从原子中被扯出来飞走了。如果辐射足够强，原子的第二个电子也可能受到影响：它可以转移到一个能量更高的状态，然后以不同的路径绕原子核运行。

在激光脉冲之后，一个电子飞走了，另一个留在原子里，带着未知的能量。Joachim Burgdörfer说：“我们可以证明这两个电子现在是量子纠缠的。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情况。”

电子本身并不知道它是何时诞生的（The electron itself does not know when it was ’born’）

研究小组现在已经能够证明，使用一种合适的测量方案，结合两种不同的激光束，有可能实现这样一种情况：电子飞走的出生时间，即它离开原子的那一刻，与留在原子后面的电子的状态有关。这两个性质是量子纠缠的。

Joachim Burgdörfer.说：“这意味着，从原则上讲，电子的诞生时间是未知的。你可以说电子本身不知道它是什么时候离开原子的，它是不同状态的量子物理叠加。它使原子既停留在较早的时间点，又停留在较晚的时间点。”

它究竟在哪个时间点是无法回答的——这个问题的实际答案在量子物理学中根本不存在。但答案是量子物理上与留在原子里的电子的状态（也不确定）有关：如果剩下的电子处于更高的能量状态，那么飞走的电子更有可能在早期的时间点被撕裂；如果剩下的电子处于能量较低的状态，那么飞走的自由电子的诞生时间可能会晚一些——平均大约在232阿秒（232 as = 232×10^-18 s）左右,这是一个几乎难以想象的短时间。

Joachim Burgdörfer.说：“然而，这些差异不仅可以计算，而且可以在实验中测量，我们已经在与想要证明这种超快纠缠的研究团队进行谈判。”

瞬时事件的瞬间结构(The temporal structure of ’instantaneous’ events)

这项工作表明，仅仅把量子效应看作是瞬时的是不够的：只有当人们设法解决这些效应的超短时间尺度时，重要的相关性才会显现出来。Iva Brezinová说：“电子不会跳出原子。可以说，它是一种从原子中溢出的波，这需要一定的时间。正是在这个阶段，纠缠发生了，它的影响可以通过观察两个电子来精确测量。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Quantum entanglement speed is measured for the first time, and it's too fast to comprehend

Abstract

Attosecond chronoscopy enables the exploration of correlated electron dynamics in real time. One key observable of attosecond physics is the determination of “time zero” of photoionization, the time delay with which the wave packet of the ionized electron departs from the ionic core. This observable has become accessible by experimental advances in attosecond streaking and reconstruction of attosecond beating by interference of two-photon transitions (RABBIT) techniques. In this Letter, we explore photoionization time delays by strong extreme ultraviolet fields beyond the linear-response limit. We identify novel signatures in time delays signifying strong coupling between atoms and light fields and the light-field dressing of the ion. As a prototypical case, we study the interelectronic coherence and entanglement in helium driven by a strong extreme ultraviolet field. By the numerical solution of the time-dependent Schrödinger equation in its full dimensionality, we show that the time delay of the photoionized electron allows one to monitor the ultrafast variations of coherence dynamics and entanglement in real time.