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纠缠是量子物理学中一种奇特的现象，量子纠缠是指不论两个粒子间距离多远，一个粒子的变化都会影响另一个粒子的现象，各个粒子的特性耦合为整体性质，无法单独描述各个粒子的性质，只能描述整体系统的性质，换句话说，当其中一个粒子被测量，另一个粒子的状态即确定。美国普渡大学团队开发了一种新型方法来产生一种由纠缠光子组成的特殊光源，以上研究成果已于2022年9月6日发表在期刊《Physics Review Research》上。
图1 激光脉冲艺术效果图。（图片来源：Pixabay/CC0 Public Domain）
该团队设计处于极紫外波段（以下简称XUV）的光子互相纠缠，在此之前，该波段不存在纠缠光子。因此，他们需要为如何产生这些纠缠光子设计路径图，并利用它们在极短的阿秒时间量级上追踪分子和材料中的电子动力学。
物理学和天文学的助理教授Niranjan Shivaram说：“实验结果表明，一旦两个光子运动相同距离，纠缠光子就可以在极短的阿秒时间内到达指定位置。阿秒量级的一个重要应用是突破最短时间尺度显像测量的极限，它们到达时间的相关性使其对超快光谱测量非常有利。这种纠缠光子源也可以应用于量子成像和光谱学等，并且这些领域的测量结果已经证明纠缠光子具有更强的信息获取能力，但是这些纠缠光子的波长仅位于XUV，甚至X射线波长范围。”
该论文的作者均来自于普渡大学的物理学和天文学系，并与普渡大学量子科学与工程研究所（PQSEI）合作。他们分别是：Yimeng Wang博士，普渡大学应届毕业生；Siddhant Pandey博士，超快光谱学实验方向的博士后；Chris H. Greene博士，物理与天文领域的杰出教授以及Niranjan Shivaram博士。
Shivaram博士说：“普渡大学的物理学和天文学系拥有一个强大的原子、分子和光学（以下简称AMO）的物理学项目，该项目汇聚了AMO各个子领域的专家。Chris Greene在原子物理学方面的专业理论知识，加上Niranjan在未成熟的科学领域——阿秒技术的实验背景，促成了这个合作项目。而许多大学都有AMO项目，但普渡大学AMO项目的独特之处在于专家在各个子领域的完整性。”
该团队的每个成员对于该研究的贡献都是独一无二的。最初，Greene提出，利用氦原子发射的光子来产生纠缠光子，而Shivaram提出了阿秒科学的实际应用，并规划了具体方案。然后，Wang建立了计算氦原子发射纠缠光子的理论框架，Pandey和Shivaram则估计了纠缠光子的发射/吸收速度，并完善了阿秒实验的操作细节。
该论文标志着Shivaram和Greene对纠缠光子研究的开始。作者详细描述了实验计划，并展示了实验的理论依据，此外，他们计划在实验和理论发展方面进一步合作。Shivaram实验室——超快量子动力学课题组正在搭建设备，以验证一些实验想法。据Shivaram称，他希望促进阿秒科学领域的其他研究者对纠缠光子的研究，多个课题组的共同努力可以推进该工作的后续发展。最后，他们计划将纠缠光子的时间量级降低至10-21秒（=1仄秒=10-3阿秒）。
Shivaram说：“通常，阿秒光谱是利用阿秒激光脉冲作为‘闪光灯’来拍摄‘电子’。这些脉冲的电流限制约为40阿秒。我们提出的这种纠缠光子方法可以讲这个时间压缩至若干阿秒，甚至仄秒。”
为了解释时间流动，科学家必须理解电子对原子、分子运动以及固体材料中的决定性作用。电子运动的时间量级通常是飞秒（= 10-15秒）或阿秒（= 10-18秒）。据Shivaram所说，深入了解电子的动力学行为并在超短时间内捕捉它们是非常重要的。
此外，“超快科学领域的目标是实现电子‘影像’，然后利用这些光控制电子的运动，从而实现化学反应、制造具有新特性的材料、制造分子尺度设备等等。这是最基础的轻物质相互作用，并且有很多可能性。研究人员现在才刚开始探索仄秒现象，尽管现在在实验上仍缺乏仄秒激光脉冲。我们在激光脉冲中使用纠缠光子而不是单光子的独特方法，可能使激光脉冲达到仄秒量级。这将需要极大的努力，而且可能需要5年的时间。”
