违反直觉的量子力学：在两个不同的时间同时存在的振动状态

当光和原子共享共同的氛围时

量子力学的一个特别违反直觉的特征是，单个事件可以以叠加状态存在-发生在这里和那里，或者发生在今天和明天。

这样的叠加很难创建，因为如果有关事件发生的时间和地点的任何类型的信息泄漏到周围环境中，即使没有人实际记录这些信息，它们也会被破坏。但是当确实发生叠加时，它们导致的观察结果与经典物理学的观察结果有很大不同，这质疑了我们对空间和时间的理解。

EPFL，MIT和CEA Saclay的科学家发表在《科学进展》上，展示了在两个不同时间同时存在的振动状态，并通过测量与振动相互作用的光束之间最强的量子相关性类别，证明了这种量子叠加。

研究人员使用非常短的激光脉冲来触发钻石晶体内部的特定振动模式。每对相邻的原子像由弹簧连接的两个质量块一样振荡，并且这种振荡在整个照明区域上是同步的。为了在此过程中节省能量，发出了一种新颜色的光，并向着光谱的红色移动。

本研究中描述的代表光和原子的“共鸣”的插图。

但是，该经典图片与实验不一致。相反，光和振动都应描述为粒子或量子：光能被量化为离散的光子，而振动能被量化为离散的声子（以古希腊语“ photo = light”和“ phono = sound”命名）。

因此，上述过程应视为来自激光的入射光子裂变成一对光子和声子，类似于原子的核裂变成两个较小的碎片。

但这不是古典物理学的唯一缺点。在量子力学中，粒子可以以叠加状态存在，就像著名的薛定ding猫同时活着还是死了。

更违反直觉的：两个粒子可能会纠缠在一起，失去其个体性。唯一可以收集到的信息涉及它们的通用相关性。因为两个粒子都由一个共同的状态（波函数）描述，所以这些相关性比经典物理学中的相关性更强。通过对两个粒子进行适当的测量可以证明这一点。如果结果超出经典限制，则可以确定它们是纠缠的。

1.激光产生非常短的光脉冲2。此脉冲的一小部分被发送到非线性设备以更改其颜色3。两个激光脉冲再次在同一路径上重叠，从而形成一对“写入和读取”脉冲。4.每对线分为一条短路径和一条长路径，5.产生一个“早期”和“晚期”时隙，再次重叠6。在钻石内部，在“早期”时隙内，来自“写入”脉冲的一个光子可能产生振动，而来自“读取”脉冲的一个光子将振动转换回光。7.在“晚期”时隙期间也可能发生相同的序列。但是在这项实验中，科学家们确保了总共只有一个振动被激发（在早期和晚期时隙中）。8.通过在时间上再次重叠光子，就不可能区分振动的早期和晚期。现在，振动处于早期和晚期的量子叠加中。9.在检测设备中，“写入”和“读取”光子根据它们的不同颜色分开，并用单光子计数器进行分析以揭示它们的纠缠。

在这项新的研究中，EPFL研究人员设法将晶体中入射激光光子裂变产生的光子和声子（即光和振动）纠缠在一起。为此，科学家设计了一个实验，其中可以在两个不同的时刻创建光子-声子对。经典地，这将导致在时间t1上以50％的概率创建该对，或者在以后的时间t2上以50％的概率创建该对。

但是，这里出现了研究人员为产生纠缠状态而发挥的“技巧”。通过精确的实验安排，他们确保了即使在宇宙中也没有留下光振动对产生时间（t1 vs. t2）的最微弱痕迹。换句话说，他们擦除了有关t1和t2的信息。然后，量子力学预测声子-光子对将发生纠缠，并存在于时间t1和t2的叠加中。测量结果很好地证实了这一预测，得出的结果与经典概率论不符。

通过显示在实验过程中手指可以握住的晶体中的光与振动之间的纠缠，这项新研究在我们的日常经验和引人入胜的量子力学领域之间架起了一座桥梁。

EPFL量子与纳米光学实验室负责人，该研究的主要作者之一克里斯托夫·加兰德（Christophe Galland）表示：“量子技术被预示为计算，通信，传感领域的下一场技术革命。“它们目前由世界各地的顶尖大学和大型公司开发，但挑战却十分艰巨。此类技术依赖于非常脆弱的量子效应，该效应仅在极低的温度或高真空下才能幸存。我们的研究表明，即使在环境条件下使用普通材料，也可以维持量子技术所需的精细量子特性。但是，需要付出一定的代价：晶体中原子振动所维持的量子相关性仅在4皮秒后即消失，即0.000000000004秒！但是，这种短时间规模也是开发超快速量子技术的机会。但是，要把我们的实验转变成一种有用的设备，尚需进行大量研究，这是未来量子工程师的工作。”

参考：Santiago Tarrago Velez，Vivishek Sudhir，Nicolas Sangouard和Christophe Galland在环境条件下光与振动之间的钟形关联，2020年12月18日，科学进步。DOI：
10.1126 / sciadv.abb0260