22 اکتبر 2024 -توسط دانشگاه صنعتی وین -مدل سه حالته برای انسجام بین الکترونیکی و درهم تنیدگی در هلیم در حوزه زمان رانندگی رزونانس بین حالت های 1𝑠 و 2𝑝0 He+ بر تأخیر زمانی بسته موج خروجی با انرژی ≈𝐸 تأثیر می گذارد. کانال‌های نهایی مهم شامل یونیزاسیون منفرد مستقیم (DSI) منتهی به He+(1𝑠) و یک الکترون آزاد، و یونیزاسیون تحریک (EI) به He+ (2𝑝0) است. اعتبار: Physical Review Letters (2024).
نظریه کوانتومی رویدادهایی را توصیف می کند که در مقیاس های زمانی بسیار کوتاه رخ می دهند. در گذشته، چنین رویدادهایی به عنوان “لحظه” یا “آنی” در نظر گرفته می شدند: یک الکترون به دور هسته یک اتم می چرخد - در لحظه بعد به طور ناگهانی توسط یک فلش نور پاره می شود. دو ذره با هم برخورد می کنند – در لحظه بعد ناگهان “درهم تنیده کوانتومی” می شوند.
امروزه، با این حال، توسعه زمانی چنین اثرات تقریباً “آنی” را می توان بررسی کرد. TU Wien (وین) به همراه تیم‌های تحقیقاتی از چین، شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای را توسعه داده‌اند که می‌توانند برای شبیه‌سازی فرآیندهای فوق سریع مورد استفاده قرار گیرند. این امر این امکان را فراهم می کند تا دریابیم که چگونه درهم تنیدگی کوانتومی در مقیاس زمانی آتوثانیه به وجود می آید.
نتایج اکنون در مجله Physical Review Letters منتشر شده است.
دو ذره – یک جسم کوانتومی
اگر دو ذره کوانتومی درهم تنیده باشند، توصیف جداگانه آنها منطقی نیست. حتی اگر وضعیت این سیستم دو ذره ای را کاملاً بشناسید، نمی توانید در مورد وضعیت یک ذره اظهار نظر واضحی داشته باشید.
پروفسور Joachim Burgdörfer از مؤسسه توضیح می دهد: “شما می توانید بگویید که ذرات هیچ ویژگی فردی ندارند، آنها فقط ویژگی های مشترک دارند. از نقطه نظر ریاضی، آنها کاملاً به هم تعلق دارند، حتی اگر در دو مکان کاملاً متفاوت باشند.”
در آزمایش‌هایی که با ذرات کوانتومی درهم‌تنیده انجام می‌شود، دانشمندان معمولاً علاقه‌مند هستند که این درهم‌تنیدگی کوانتومی را تا زمانی که ممکن است حفظ کنند – برای مثال، اگر می‌خواهند از درهم‌تنیدگی کوانتومی برای رمزنگاری کوانتومی یا رایانه‌های کوانتومی استفاده کنند.
پروفسور Iva Březinová، یکی از نویسندگان کتاب، می گوید: «از سوی دیگر، ما به چیز دیگری علاقه مند هستیم – دریابیم که این درهم تنیدگی در وهله اول چگونه ایجاد می شود و کدام اثرات فیزیکی در مقیاس های زمانی بسیار کوتاه نقش دارند. انتشار فعلی یک الکترون به سرعت دور می شود، یکی با اتم می ماند.
محققان به بررسی اتم هایی پرداختند که با یک پالس لیزری بسیار شدید و با فرکانس بالا برخورد می کردند. یک الکترون از اتم کنده می شود و دور می شود. اگر تابش به اندازه کافی قوی باشد، ممکن است الکترون دوم اتم نیز تحت تأثیر قرار گیرد: می تواند به حالتی با انرژی بالاتر منتقل شود و سپس در مسیر دیگری به دور هسته اتم بچرخد.
بنابراین، پس از پالس لیزر، یک الکترون پرواز می کند و یکی با اتم با انرژی ناشناخته باقی می ماند. بورگدورفر می گوید: «ما می توانیم نشان دهیم که این دو الکترون اکنون درهم تنیده شده اند. “شما فقط می توانید آنها را با هم تجزیه و تحلیل کنید – و می توانید یک اندازه گیری را روی یکی از الکترون ها انجام دهید و در همان زمان چیزی در مورد الکترون دیگر بیاموزید.”
خود الکترون نمی داند چه زمانی “متولد” شده است.
اکنون تیم تحقیقاتی توانسته است با استفاده از یک پروتکل اندازه گیری مناسب که دو پرتو لیزر مختلف را با هم ترکیب می کند نشان دهد که می توان به موقعیتی دست یافت که در آن “زمان تولد” الکترون در حال پرواز است، یعنی لحظه ای که الکترون را ترک می کند. اتم، مربوط به حالت الکترونی است که پشت سر باقی می ماند. این دو ویژگی درهم تنیده کوانتومی هستند.
بورگدورفر می گوید: “این بدان معناست که زمان تولد الکترونی که می پرد اصولاً مشخص نیست. می توان گفت که خود الکترون نمی داند چه زمانی از اتم خارج شده است.” “این در یک برهم نهی کوانتومی-فیزیکی از حالت های مختلف است. اتم را هم در زمان اولیه و هم در زمان بعدی ترک کرده است.”
نمی‌توان به این سؤال پاسخ داد که «واقعاً» کدام نقطه از زمان بود – پاسخ «واقعی» به این سؤال به سادگی در فیزیک کوانتوم وجود ندارد. اما پاسخ از نظر فیزیکی از نظر کوانتومی به حالت – همچنین نامشخص – الکترون باقی مانده با اتم مرتبط است. اگر الکترون باقیمانده در حالت انرژی بالاتر باشد، در این صورت الکترونی که به پرواز درآمده است به احتمال زیاد در یک نقطه اولیه از زمان پاره شده است. اگر الکترون باقیمانده در حالت انرژی کمتر باشد، «زمان تولد» الکترون آزاد که دور شد احتمالا دیرتر خواهد بود – به طور متوسط حدود 232 آتوثانیه.
این مدت زمان تقریباً غیرقابل تصوری کوتاه است: یک آتوثانیه یک میلیاردیم میلیاردیم ثانیه است. بورگدورفر می گوید: «با این حال، این تفاوت ها نه تنها می توانند محاسبه شوند، بلکه در آزمایشات نیز قابل اندازه گیری هستند. ما در حال حاضر در حال مذاکره با تیم های تحقیقاتی هستیم که می خواهند چنین درهم تنیدگی های فوق سریعی را ثابت کنند.
این کار نشان می دهد که کافی نیست که اثرات کوانتومی را “آنی” بدانیم. همبستگی های مهم تنها زمانی قابل مشاهده می شود که فرد بتواند مقیاس های زمانی فوق العاده کوتاه این اثرات را حل کند.
Březinová می گوید: “الکترون فقط از اتم نمی پرد، بلکه موجی است که به اصطلاح از اتم بیرون می ریزد – و زمان معینی طول می کشد. دقیقاً در طول این مرحله است که درهم تنیدگی رخ می‌دهد که بعداً می‌توان تأثیر آن را با مشاهده دو الکترون دقیقاً اندازه‌گیری کرد.»
