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據(jù)悉，在量子信息領(lǐng)域，阿秒科學(xué)研究工具的應(yīng)用可能會(huì)創(chuàng)造迄今為止未曾預(yù)料到的機(jī)會(huì)。

量子力學(xué)預(yù)測(cè)挑戰(zhàn)了人類的直覺思維，這種直覺思維是通過我們對(duì)周圍世界的日常體驗(yàn)而發(fā)展起來的。

實(shí)驗(yàn)梗概。H2分子被鎖相對(duì)阿秒XUV脈沖電離。用少周近紅外脈沖探測(cè)由分子、離子和光電子組成的量子系統(tǒng)。來源：Fig. MBI

除此之外，量子物體可以同時(shí)顯示粒子和波的特性，可以相互干擾，也可以以量子疊加的形式出現(xiàn)?？梢哉f，最大的挑戰(zhàn)是量子力學(xué)不符合我們直覺上的局部實(shí)在論，即物體的測(cè)量結(jié)果反映了這些物體固有的特性。量子力學(xué)糾纏是局部實(shí)在論的一種分解，引入了非定域的存在性，意味著物體a(“Alice”)的測(cè)量結(jié)果可以被物體B(“Bob”)的測(cè)量結(jié)果所影響，而物體a和物體B之間不存在任何相互作用。

當(dāng)量子系統(tǒng)被分成兩個(gè)子系統(tǒng)時(shí)，糾纏自然會(huì)出現(xiàn)。常見的情況是自發(fā)參數(shù)下轉(zhuǎn)換，即一個(gè)輸入的泵浦光子被分裂成一對(duì)信號(hào)光子和空閑光子，以及光電離，即光吸收將一個(gè)中性原子或分子分裂成一個(gè)離子和一個(gè)光電子。然后，整個(gè)系統(tǒng)的波函數(shù)可以寫成描述單個(gè)部分的一個(gè)或多個(gè)乘積波函數(shù)的和。如果波函數(shù)可以寫成一個(gè)單獨(dú)的乘積，那么在a部分(“Alice”)上執(zhí)行的測(cè)量不會(huì)影響在B部分(“Bob”)上執(zhí)行的測(cè)量。然而，如果復(fù)合體系的波函數(shù)只能寫成這些乘積的和，然后系統(tǒng)被糾纏，一個(gè)顯著的結(jié)果出現(xiàn)了:“Bob”上的測(cè)量結(jié)果(根據(jù)每個(gè)結(jié)果的量子力學(xué)概率可能有不同的結(jié)果)將決定“Alice”上隨后的測(cè)量結(jié)果，即使“Alice”和“Bob”沒有相互作用。

H+離子被鎖相脈沖XUV阿秒脈沖對(duì)電離后的動(dòng)量作為近紅外激光脈沖的延遲函數(shù)(a)， XUV-XUV延遲29 fs，對(duì)應(yīng)于振動(dòng)波包的相干激發(fā)。(b)當(dāng)XUV-XUV時(shí)延為45 fs時(shí)，系統(tǒng)處于糾纏狀態(tài)。通過對(duì)延遲掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，可以識(shí)別出(c)+(d)單個(gè)振動(dòng)量子拍。關(guān)鍵的是，對(duì)應(yīng)于最近鄰居相干的峰值強(qiáng)度(?E8、9和?E(7,8))在XUV-XUV延遲29 fs的測(cè)量中非常明顯，而在XUV-XUV延遲45 fs的測(cè)量中非常微弱。來源：Fig. MBI

基于以上所述，我們可以預(yù)期量子糾纏是阿秒科學(xué)（1as=10-18s）的一個(gè)共同特征。阿秒科學(xué)是激光物理學(xué)的一個(gè)新分支，出現(xiàn)于本世紀(jì)初，在亞飛秒（1fs=10-15s）的自然時(shí)間尺度上研究電子隨時(shí)間變化的動(dòng)力學(xué)。通過高次諧波產(chǎn)生阿秒激光脈沖必然產(chǎn)生光子能量超過每一個(gè)可能的原子、分子或材料的結(jié)合能的激光脈沖，因此，光電離是阿秒實(shí)驗(yàn)的一個(gè)常見方面。盡管如此，到目前為止，糾纏在阿秒實(shí)驗(yàn)中可能扮演的角色并沒有受到任何重大關(guān)注。

如上圖 (c)和(d)所示的量子拍的強(qiáng)度作為XUV-XUV延遲的函數(shù)。來源：Fig. MBI

阿秒實(shí)驗(yàn)通常以泵浦-探測(cè)實(shí)驗(yàn)的形式進(jìn)行，其中第一個(gè)激光器（“泵浦”）啟動(dòng)所研究系統(tǒng)中感興趣的動(dòng)力學(xué)，并在可變延遲后，第二個(gè)激光器（“探測(cè)器”）詢問正在演化的系統(tǒng)，產(chǎn)生一個(gè)可觀測(cè)值，可作為泵探頭延遲的函數(shù)進(jìn)行測(cè)量。通過這種方式，泵-探頭實(shí)驗(yàn)提供了一個(gè)不斷演變的動(dòng)力學(xué)電影，可以反復(fù)緩慢地觀看（如有必要，一幀一幀地觀看），直到理解基本過程。在量子力學(xué)術(shù)語中，泵浦-探測(cè)實(shí)驗(yàn)依賴于相干性，即系統(tǒng)不同部分之間存在明確定義的相位關(guān)系，該相位關(guān)系是在與泵浦激光脈沖相互作用后形成的。正如我們?cè)谧罱睦碚摵蛯?shí)驗(yàn)工作中所顯示的，在顯示糾纏的量子系統(tǒng)中，相干度顯著降低。

在實(shí)驗(yàn)和計(jì)算中，中性氫分子（H2）使用阿秒脈沖電離，產(chǎn)生最低可用束縛電子態(tài)的H2+離子。在這種狀態(tài)下，形成了一個(gè)振動(dòng)波包，即振動(dòng)態(tài)的相干疊加，描述了分子在內(nèi)外轉(zhuǎn)折點(diǎn)之間的振動(dòng)。振動(dòng)是用近紅外探測(cè)激光探測(cè)到的，該激光使分子離解，產(chǎn)生易于檢測(cè)的H+離子和中性H原子?？紤]到這種解離過程的概率很大程度上取決于兩個(gè)質(zhì)子之間的核間距，實(shí)驗(yàn)可以通過監(jiān)測(cè)振動(dòng)外部轉(zhuǎn)折點(diǎn)附近的分子分?jǐn)?shù)來觀察分子的振動(dòng)，作為泵-探針延遲的函數(shù)。與之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，可以很容易地測(cè)量H2+振動(dòng)，證明不同H2+振動(dòng)狀態(tài)之間的一致性。

實(shí)驗(yàn)觀察了離子電離后的波包動(dòng)力學(xué)。

當(dāng)阿秒電離脈沖被一對(duì)相對(duì)延遲可控的阿秒電離脈沖所取代時(shí)，這種情況發(fā)生了根本性的改變。對(duì)于某些延遲值，可以像以前一樣觀察到H2+振動(dòng)，而對(duì)于其他值，振動(dòng)變得幾乎不可觀察。對(duì)振動(dòng)相干性不可觀測(cè)的時(shí)間延遲的分析表明，H2+離子的振動(dòng)相干性程度與H2+離子與電離過程中產(chǎn)生的光電子之間的糾纏度競(jìng)爭(zhēng)。

換句話說，該實(shí)驗(yàn)提供了直接證據(jù)，證明在涉及電離的阿秒泵浦探測(cè)實(shí)驗(yàn)中，由泵浦激光脈沖電離產(chǎn)生的離子和光電子之間的糾纏限制了探測(cè)激光與離子或光電子相互作用時(shí)可以觀察到的相干性。因此，該實(shí)驗(yàn)向阿秒界提供了一個(gè)重要警告，表明泵-探測(cè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果受完整量子系統(tǒng)波函數(shù)特性的控制，即使該實(shí)驗(yàn)可能只針對(duì)其中一個(gè)子系統(tǒng)內(nèi)的動(dòng)力學(xué)觀察。該實(shí)驗(yàn)還指出了一個(gè)有趣的機(jī)會(huì)，例如，在旨在觀察阿秒到幾飛秒電荷遷移的研究中，可以揭示電荷遷移過程背后的特定電子相干性。最后，這些實(shí)驗(yàn)引起了人們對(duì)超快激光光譜學(xué)和量子信息領(lǐng)域之間正在出現(xiàn)的聯(lián)系的注意，在量子信息領(lǐng)域，阿秒科學(xué)研究工具的應(yīng)用可能會(huì)創(chuàng)造迄今為止未曾預(yù)料到的機(jī)會(huì)。

建立了測(cè)量量子力學(xué)糾纏對(duì)振動(dòng)波包動(dòng)力學(xué)影響的實(shí)驗(yàn)裝置。

這項(xiàng)研究發(fā)表在《Physical Review Letters》上。

來源：Experimental Control of Quantum-Mechanical Entanglement in anAttosecond Pump-Probe Experiment, Physical Review Letters (2022). DOI:10.1103/PhysRevLett.128.043201