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

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

實驗梗概。H2分子被鎖相對阿秒XUV脈沖電離。用少周近紅外脈沖探測由分子、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在論，即物體的測量結(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”)的測量結(jié)果可以被物體B(“Bob”)的測量結(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)被分成兩個子系統(tǒng)時，糾纏自然會出現(xiàn)。常見的情況是自發(fā)參數(shù)下轉(zhuǎn)換，即一個輸入的泵浦光子被分裂成一對信號光子和空閑光子，以及光電離，即光吸收將一個中性原子或分子分裂成一個離子和一個光電子。然后，整個系統(tǒng)的波函數(shù)可以寫成描述單個部分的一個或多個乘積波函數(shù)的和。如果波函數(shù)可以寫成一個單獨(dú)的乘積，那么在a部分(“Alice”)上執(zhí)行的測量不會影響在B部分(“Bob”)上執(zhí)行的測量。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，一個顯著的結(jié)果出現(xiàn)了:“Bob”上的測量結(jié)果(根據(jù)每個結(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阿秒脈沖對電離后的動量作為近紅外激光脈沖的延遲函數(shù)(a)， XUV-XUV延遲29 fs，對應(yīng)于振動波包的相干激發(fā)。(b)當(dāng)XUV-XUV時延為45 fs時，系統(tǒng)處于糾纏狀態(tài)。通過對延遲掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，可以識別出(c)+(d)單個振動量子拍。關(guān)鍵的是，對應(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的測量中非常明顯，而在XUV-XUV延遲45 fs的測量中非常微弱。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）的一個共同特征。阿秒科學(xué)是激光物理學(xué)的一個新分支，出現(xiàn)于本世紀(jì)初，在亞飛秒（1fs=10-15s）的自然時間尺度上研究電子隨時間變化的動力學(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，光電離是阿秒實驗的一個常見方面。盡管如此，到目前為止，糾纏在阿秒實驗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

阿秒實驗通常以泵浦-探測實驗的形式進(jìn)行，其中第一個激光器（“泵浦”）啟動所研究系統(tǒng)中感興趣的動力學(xué)，并在可變延遲后，第二個激光器（“探測器”）詢問正在演化的系統(tǒng)，產(chǎn)生一個可觀測值，可作為泵探頭延遲的函數(shù)進(jìn)行測量。通過這種方式，泵-探頭實驗提供了一個不斷演變的動力學(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-探測實驗依賴于相干性，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。正如我們在最近的理論和實驗工作中所顯示的，在顯示糾纏的量子系統(tǒng)中，相干度顯著降低。

在實驗和計算中，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，形成了一個振動波包，即振動態(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。振動是用近紅外探測激光探測到的，該激光使分子離解，產(chǎn)生易于檢測的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質(zhì)子之間的核間距，實驗可以通過監(jiān)測振動外部轉(zhuǎn)折點(diǎn)附近的分子分?jǐn)?shù)來觀察分子的振動，作為泵-探針延遲的函數(shù)。與之前的實驗結(jié)果一致，可以很容易地測量H2+振動，證明不同H2+振動狀態(tài)之間的一致性。

實驗觀察了離子電離后的波包動力學(xué)。

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

換句話說，該實驗提供了直接證據(jù)，證明在涉及電離的阿秒泵浦探測實驗中，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激光與離子或光電子相互作用時可以觀察到的相干性。因此，該實驗向阿秒界提供了一個重要警告，表明泵-探測實驗的結(jié)果受完整量子系統(tǒng)波函數(shù)特性的控制，即使該實驗可能只針對其中一個子系統(tǒng)內(nèi)的動力學(xué)觀察。該實驗還指出了一個有趣的機(jī)會，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，這些實驗引起了人們對超快激光光譜學(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)用可能會創(chuàng)造迄今為止未曾預(yù)料到的機(jī)會。

建立了測量量子力學(xué)糾纏對振動波包動力學(xué)影響的實驗裝置。

這項研究發(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