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量子“指纹”判读时间 研究人员提出无需起点的全新计时方法
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- 荷鲁斯快报
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瑞典乌普萨拉大学研究团队近日提出一种全新的时间测量方法，无需事先知道事件的起始时刻即可直接读出时间长度。该方法基于氦原子在强激发状态下的量子演化行为，通过分析其受短脉冲光照射后随时间变化的特征“指纹”，为超快物理与化学过程提供新型时间刻度工具。相关成果已发表于学术期刊，并获美国物理学会关注。
研究团队利用短脉冲光将氦原子激发到里德伯态，并使其处于多种里德伯态叠加的量子叠加态。里德伯态是电子远离原子核、能量极高的激发态，对环境敏感；量子叠加意味着原子同时以多种状态存在，其整体演化形成复杂波包结构。传统做法从激发瞬间精确计时，而新方法是在一定时间后施加第二束光脉冲，测量氦原子被电离的概率，再与理论模型比对，反推出自里德伯态形成以来已过去的时间。
团队负责人Johan Söderström将过程类比为“读卷尺”：不必看见从零刻度开始量距离，只需看当前读数即可知距离。该方法中，里德伯态叠加随时间演化，在可观测量上留下独特图样——即时间“指纹”。通过分析指纹并与理论计算匹配，研究人员仅需在有限时间窗口内观测，就能直接读出波包生成到观测时刻间的具体“时间距离”。
论文指出，这种量子指纹具有“自校验”功能：波包随时间演化的细节结构为时间刻度提供内部一致性检验，提升可靠性。实验结合理论模拟与时间分辨光电子能谱技术，使用两束精确控制间隔的光脉冲：一束激发氦原子形成里德伯态波包，另一束打掉电子并记录信号。实验结果与理论预测高度吻合，且还可反推里德伯态中的“量子缺陷”等能量差异，加深对原子结构的理解。
研究人员再次以卷尺作比：测量短距离只需读出小段刻度，长距离则需更长范围。对应时间测量，若事件离“未知起点”近，仅需观测较短指纹即可还原时间；离起点更久远，则需更长时间跨度内的指纹。该方法能根据待测时间动态调整数据量，为不同时间尺度实验提供灵活量子计时方案。
值得注意的是，研究大部分实验在新冠疫情期间于Ångström实验室的HELIOS装置中完成。团队在相对封闭环境中反复验证优化方法。初步证明可行后，研究人员提出未来可扩展至分子体系，例如研究分子解离过程对里德伯态的影响，评估在更复杂系统中的普适性。
尽管新方法能提供绝对时间刻度，其设计初衷并非替代传统时钟。团队明确表示，它更适合作为泵浦-探测光谱实验的专用工具，用于需极短时间分辨率观察快过程演化的场景。在此类实验中，起始瞬间往往难以精确界定，而量子指纹方法有望在不先确定“时间零点”的前提下，为这些快过程提供绝对时间标尺。
从更广视角看，该研究为“无起点信息”条件下测量时间提供新思路，完全依赖量子态演化编码解码时间信息，而非传统计数机构。研究人员指出，该方法不适用于所有时间测量，但在现有技术难以锁定起始时刻的领域，或研究原子分子内部超快过程时，可能成为精度极高且具独特优势的补充工具。相关工作被视为量子时间测量研究路径上的重要探索。
