據悉，在量子信息領域，阿秒科學研究工具的應用可能會(hui) 創造迄今為(wei) 止未曾預料到的機會(hui) 。

量子力學預測挑戰了人類的直覺思維，這種直覺思維是通過我們(men) 對周圍世界的日常體(ti) 驗而發展起來的。

實驗梗概。H2分子被鎖相對阿秒XUV脈衝(chong) 電離。用少周近紅外脈衝(chong) 探測由分子、離子和光電子組成的量子係統。來源：Fig. MBI

除此之外，量子物體(ti) 可以同時顯示粒子和波的特性，可以相互幹擾，也可以以量子疊加的形式出現。可以說，最大的挑戰是量子力學不符合我們(men) 直覺上的局部實在論，即物體(ti) 的測量結果反映了這些物體(ti) 固有的特性。量子力學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(ti) a(“Alice”)的測量結果可以被物體(ti) B(“Bob”)的測量結果所影響，而物體(ti) a和物體(ti) B之間不存在任何相互作用。

當量子係統被分成兩(liang) 個(ge) 子係統時，糾纏自然會(hui) 出現。常見的情況是自發參數下轉換，即一個(ge) 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(ge) 中性原子或分子分裂成一個(ge) 離子和一個(ge) 光電子。然後，整個(ge) 係統的波函數可以寫(xie) 成描述單個(ge) 部分的一個(ge) 或多個(ge) 乘積波函數的和。如果波函數可以寫(xie) 成一個(ge) 單獨的乘積，那麽(me) 在a部分(“Alice”)上執行的測量不會(hui) 影響在B部分(“Bob”)上執行的測量。然而，如果複合體(ti) 係的波函數隻能寫(xie) 成這些乘積的和，然後係統被糾纏，一個(ge) 顯著的結果出現了:“Bob”上的測量結果(根據每個(ge) 結果的量子力學概率可能有不同的結果)將決(jue) 定“Alice”上隨後的測量結果，即使“Alice”和“Bob”沒有相互作用。

H+離子被鎖相脈衝(chong) XUV阿秒脈衝(chong) 對電離後的動量作為(wei) 近紅外激光脈衝(chong) 的延遲函數(a)， XUV-XUV延遲29 fs，對應於(yu) 振動波包的相幹激發。(b)當XUV-XUV時延為(wei) 45 fs時，係統處於(yu) 糾纏狀態。通過對延遲掃描數據進行傅裏葉變換，可以識別出(c)+(d)單個(ge) 振動量子拍。關(guan) 鍵的是，對應於(yu) 最近鄰居相幹的峰值強度(∆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

基於(yu) 以上所述，我們(men) 可以預期量子糾纏是阿秒科學（1as=10-18s）的一個(ge) 共同特征。阿秒科學是激光物理學的一個(ge) 新分支，出現於(yu) 本世紀初，在亞(ya) 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。通過高次諧波產(chan) 生阿秒激光脈衝(chong) 必然產(chan) 生光子能量超過每一個(ge) 可能的原子、分子或材料的結合能的激光脈衝(chong) ，因此，光電離是阿秒實驗的一個(ge) 常見方麵。盡管如此，到目前為(wei) 止，糾纏在阿秒實驗中可能扮演的角色並沒有受到任何重大關(guan) 注。

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

阿秒實驗通常以泵浦-探測實驗的形式進行，其中第一個(ge) 激光器（“泵浦”）啟動所研究係統中感興(xing) 趣的動力學，並在可變延遲後，第二個(ge) 激光器（“探測器”）詢問正在演化的係統，產(chan) 生一個(ge) 可觀測值，可作為(wei) 泵探頭延遲的函數進行測量。通過這種方式，泵-探頭實驗提供了一個(ge) 不斷演變的動力學電影，可以反複緩慢地觀看（如有必要，一幀一幀地觀看），直到理解基本過程。在量子力學術語中，泵浦-探測實驗依賴於(yu) 相幹性，即係統不同部分之間存在明確定義(yi) 的相位關(guan) 係，該相位關(guan) 係是在與(yu) 泵浦激光脈衝(chong) 相互作用後形成的。正如我們(men) 在最近的理論和實驗工作中所顯示的，在顯示糾纏的量子係統中，相幹度顯著降低。

在實驗和計算中，中性氫分子（H2）使用阿秒脈衝(chong) 電離，產(chan) 生最低可用束縛電子態的H2+離子。在這種狀態下，形成了一個(ge) 振動波包，即振動態的相幹疊加，描述了分子在內(nei) 外轉折點之間的振動。振動是用近紅外探測激光探測到的，該激光使分子離解，產(chan) 生易於(yu) 檢測的H+離子和中性H原子。考慮到這種解離過程的概率很大程度上取決(jue) 於(yu) 兩(liang) 個(ge) 質子之間的核間距，實驗可以通過監測振動外部轉折點附近的分子分數來觀察分子的振動，作為(wei) 泵-探針延遲的函數。與(yu) 之前的實驗結果一致，可以很容易地測量H2+振動，證明不同H2+振動狀態之間的一致性。

實驗觀察了離子電離後的波包動力學。

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

換句話說，該實驗提供了直接證據，證明在涉及電離的阿秒泵浦探測實驗中，由泵浦激光脈衝(chong) 電離產(chan) 生的離子和光電子之間的糾纏限製了探測激光與(yu) 離子或光電子相互作用時可以觀察到的相幹性。因此，該實驗向阿秒界提供了一個(ge) 重要警告，表明泵-探測實驗的結果受完整量子係統波函數特性的控製，即使該實驗可能隻針對其中一個(ge) 子係統內(nei) 的動力學觀察。該實驗還指出了一個(ge) 有趣的機會(hui) ，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後的特定電子相幹性。最後，這些實驗引起了人們(men) 對超快激光光譜學和量子信息領域之間正在出現的聯係的注意，在量子信息領域，阿秒科學研究工具的應用可能會(hui) 創造迄今為(wei) 止未曾預料到的機會(hui) 。

建立了測量量子力學糾纏對振動波包動力學影響的實驗裝置。

這項研究發表在《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