據悉，在量子信息領域，阿秒科學研究工具的應用可能會創造迄今為止未曾預料到的機會。
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對周圍世界的日常體驗而發展起來的。
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。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。可以說，最大的挑戰是量子力學不符合我們直覺上的局部實在論，即物體的測量結果反映了這些物體固有的特性。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a(“Alice”)的測量結果可以被物體B(“Bob”)的測量結果所影響，而物體a和物體B之間不存在任何相互作用。
當量子系統被分成兩個子系統時，糾纏自然會出現。常見的情況是自發參數下轉換，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，整個系統的波函數可以寫成描述單個部分的一個或多個乘積波函數的和。如果波函數可以寫成一個單獨的乘積，那么在a部分(“Alice”)上執行的測量不會影響在B部分(“Bob”)上執行的測量。然而，如果復合體系的波函數只能寫成這些乘積的和，然后系統被糾纏，一個顯著的結果出現了:“Bob”上的測量結果(根據每個結果的量子力學概率可能有不同的結果)將決定“Alice”上隨后的測量結果，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(a)， XUV-XUV延遲29 fs，對應于振動波包的相干激發。(b)當XUV-XUV時延為45 fs時，系統處于糾纏狀態。通過對延遲掃描數據進行傅里葉變換，可以識別出(c)+(d)單個振動量子拍。關鍵的是，對應于最近鄰居相干的峰值強度(?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
基于以上所述，我們可以預期量子糾纏是阿秒科學（1as=10-18s）的一個共同特征。阿秒科學是激光物理學的一個新分支，出現于本世紀初，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。通過高次諧波產生阿秒激光脈沖必然產生光子能量超過每一個可能的原子、分子或材料的結合能的激光脈沖，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注。
如上圖 (c)和(d)所示的量子拍的強度作為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，其中第一個激光器（“泵浦”）啟動所研究系統中感興趣的動力學，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，產生一個可觀測值，可作為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不斷演變的動力學電影，可以反復緩慢地觀看（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-探測實驗依賴于相干性，即系統不同部分之間存在明確定義的相位關系，該相位關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，形成了一個振動波包，即振動態的相干疊加，描述了分子在內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，產生易于檢測的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于兩個質子之間的核間距，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，作為泵-探針延遲的函數。與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后的波包動力學。
當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，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-探測實驗的結果受完整量子系統波函數特性的控制，即使該實驗可能只針對其中一個子系統內的動力學觀察。該實驗還指出了一個有趣的機會，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和量子信息領域之間正在出現的聯系的注意，在量子信息領域，阿秒科學研究工具的應用可能會創造迄今為止未曾預料到的機會。
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
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