阿秒激光实验室的量子力学纠缠中心舞台

　　江苏激光联盟导读：
　　据悉，在量子信息领域，阿秒科学研究工具的应用可能会创造迄今为止未曾预料到的机会。
　　量子力学预测挑战了人类的直觉思维，这种直觉思维是通过我们对周围世界的日常体验而发展起来的。
　　实验梗概。H2分子被锁相对阿秒XUV脉冲电离。用少周近红外脉冲探测由分子、离子和光电子组成的量子系统。来源：Fig. MBI
　　除此之外，量子物体可以同时显示粒子和波的特性，可以相互干扰，也可以以量子叠加的形式出现。可以说，最大的挑战是量子力学不符合我们直觉上的局部实在论，即物体的测量结果反映了这些物体固有的特性。量子力学纠缠是局部实在论的一种分解，引入了非定域的存在性，意味着物体a(＂Alice＂)的测量结果可以被物体B(＂Bob＂)的测量结果所影响，而物体a和物体B之间不存在任何相互作用。
　　当量子系统被分成两个子系统时，纠缠自然会出现。常见的情况是自发参数下转换，即一个输入的泵浦光子被分裂成一对信号光子和空闲光子，以及光电离，即光吸收将一个中性原子或分子分裂成一个离子和一个光电子。然后，整个系统的波函数可以写成描述单个部分的一个或多个乘积波函数的和。如果波函数可以写成一个单独的乘积，那么在a部分(＂Alice＂)上执行的测量不会影响在B部分(＂Bob＂)上执行的测量。然而，如果复合体系的波函数只能写成这些乘积的和，然后系统被纠缠，一个显著的结果出现了:＂Bob＂上的测量结果(根据每个结果的量子力学概率可能有不同的结果)将决定＂Alice＂上随后的测量结果，即使＂Alice＂和＂Bob＂没有相互作用。
　　H+离子被锁相脉冲XUV阿秒脉冲对电离后的动量作为近红外激光脉冲的延迟函数(a)， XUV-XUV延迟29 fs，对应于振动波包的相干激发。(b)当XUV-XUV时延为45 fs时，系统处于纠缠状态。通过对延迟扫描数据进行傅里叶变换，可以识别出(c)+(d)单个振动量子拍。关键的是，对应于最近邻居相干的峰值强度( E8、9和 E(7,8))在XUV-XUV延迟29 fs的测量中非常明显，而在XUV-XUV延迟45 fs的测量中非常微弱。来源：Fig. MBI
　　基于以上所述，我们可以预期量子纠缠是阿秒科学（1as=10-18s）的一个共同特征。阿秒科学是激光物理学的一个新分支，出现于本世纪初，在亚飞秒（1fs=10-15s）的自然时间尺度上研究电子随时间变化的动力学。通过高次谐波产生阿秒激光脉冲必然产生光子能量超过每一个可能的原子、分子或材料的结合能的激光脉冲，因此，光电离是阿秒实验的一个常见方面。尽管如此，到目前为止，纠缠在阿秒实验中可能扮演的角色并没有受到任何重大关注。
　　如上图 (c)和(d)所示的量子拍的强度作为XUV-XUV延迟的函数。来源：Fig. MBI
　　阿秒实验通常以泵浦-探测实验的形式进行，其中第一个激光器（＂泵浦＂）启动所研究系统中感兴趣的动力学，并在可变延迟后，第二个激光器（＂探测器＂）询问正在演化的系统，产生一个可观测值，可作为泵探头延迟的函数进行测量。通过这种方式，泵-探头实验提供了一个不断演变的动力学电影，可以反复缓慢地观看（如有必要，一帧一帧地观看），直到理解基本过程。在量子力学术语中，泵浦-探测实验依赖于相干性，即系统不同部分之间存在明确定义的相位关系，该相位关系是在与泵浦激光脉冲相互作用后形成的。正如我们在最近的理论和实验工作中所显示的，在显示纠缠的量子系统中，相干度显著降低。
　　在实验和计算中，中性氢分子（H2）使用阿秒脉冲电离，产生最低可用束缚电子态的H2+离子。在这种状态下，形成了一个振动波包，即振动态的相干叠加，描述了分子在内外转折点之间的振动。振动是用近红外探测激光探测到的，该激光使分子离解，产生易于检测的H+离子和中性H原子。考虑到这种解离过程的概率很大程度上取决于两个质子之间的核间距，实验可以通过监测振动外部转折点附近的分子分数来观察分子的振动，作为泵-探针延迟的函数。与之前的实验结果一致，可以很容易地测量H2+振动，证明不同H2+振动状态之间的一致性。
　　实验观察了离子电离后的波包动力学。
　　当阿秒电离脉冲被一对相对延迟可控的阿秒电离脉冲所取代时，这种情况发生了根本性的改变。对于某些延迟值，可以像以前一样观察到H2+振动，而对于其他值，振动变得几乎不可观察。对振动相干性不可观测的时间延迟的分析表明，H2+离子的振动相干性程度与H2+离子与电离过程中产生的光电子之间的纠缠度竞争。
　　换句话说，该实验提供了直接证据，证明在涉及电离的阿秒泵浦探测实验中，由泵浦激光脉冲电离产生的离子和光电子之间的纠缠限制了探测激光与离子或光电子相互作用时可以观察到的相干性。因此，该实验向阿秒界提供了一个重要警告，表明泵-探测实验的结果受完整量子系统波函数特性的控制，即使该实验可能只针对其中一个子系统内的动力学观察。该实验还指出了一个有趣的机会，例如，在旨在观察阿秒到几飞秒电荷迁移的研究中，可以揭示电荷迁移过程背后的特定电子相干性。最后，这些实验引起了人们对超快激光光谱学和量子信息领域之间正在出现的联系的注意，在量子信息领域，阿秒科学研究工具的应用可能会创造迄今为止未曾预料到的机会。
　　建立了测量量子力学纠缠对振动波包动力学影响的实验装置。
　　这项研究发表在《Physical Review Letters》上。
　　来源：Experimental Control of Quantum-Mechanical Entanglement in anAttosecond Pump-Probe Experiment, Physical Review Letters (2022). DOI:10.1103/PhysRevLett.128.043201
　　江苏激光联盟陈长军原创作品！