首次可视化的量子纠缠


量子物理学是在最小尺度上描述宇宙的科学领域,以其反直觉现象而闻名,这些现象似乎违背了日常尺度的所有物理定律。

可以说,量子物理学的任何一个方面都不像纠缠那样令人惊讶或令人不安,即两个粒子可以以这样一种方式连接起来,即一个粒子的变化会立即反映在另一个粒子上,即使两个粒子位于相对的宇宙两侧。正是“瞬间”这个词让阿尔伯特·爱因斯坦感到困扰,他将纠缠描述为“幽灵般的远距离作用”。

这是因为在发展狭义相对论时,爱因斯坦引入了这样的概念:宇宙对于信息传输有一个设定的速度限制——真空中的光速。粒子之间相互作用的瞬时性质似乎比光还快。然而,尽管它可能“令人毛骨悚然”,但自其诞生以来的大约 100 年里,纠缠已被证明是宇宙的一个真实的方面。

一项新的进展将有助于进一步巩固量子纠缠的“真实性”。来自渥太华大学和罗马第一大学的一组研究人员展示了一种新技术,可以可视化一对纠缠的光子——光粒子。更准确地说,科学家们在《自然·光子学》上发表的一篇论文中所展示和描述的 就是这个量子系统的波函数。

“在我们的上下文中,我们将波函数称为量子系统状态的空间解析规范。它告诉我们关于感兴趣的量子系统所能知道的一切,”渥太华大学博士后研究员 Alessio D’Errico 说。 “更准确地说,波函数使我们能够计算任何测量结果的概率。

“在两个纠缠光子的情况下,知道波函数将告诉我们同时在 A 点找到一个粒子和在 B 点找到另一个粒子的概率是多少。”

纠缠和全息术

D’Errico 解释说,该团队的工作建立在数字全息技术的基础上,该技术通常用于从散射光中检索 3D 物体的形状并重建激光束的相位。

像这样的全息技术依赖于这样一个事实:光可以被建模为波,当两个波重叠并且“同相”(in phase)时,波峰遇到波峰或波谷遇到波谷,波的这一特征被放大——一种称为相长干涉的现象。

但是,当光波异相时,波峰会遇到波谷,并且这些特征会相互抵消——这可能被称为相消干涉。

由两个光波(一个已知(参考波)和另一个未知)重叠产生的推理模式可以提供有关未知波的信息,从而可以对其进行重建。这意味着全息技术可以从 2D 图像重建 3D 物体。该团队扩展了数字全息技术来解决重建两个纠缠光子状态的问题。

“我们的想法是找到一种方法来理解仅由两个纠缠光子组成的‘波’的相位和强度。为此,我们意识到我们需要一个合适的参考波,而最好的参考波是另一种双光子态,当然,我们必须假设我们完全了解它,”德埃里科说。 “这个参考波可以从经过充分研究的标准来源获得。下一步是将两个波叠加,这样在测量阶段我们就无法分辨每个光子来自哪个源。”

研究小组发现,有关未知源的信息并未编码在两个叠加波的强度分布中,而是被锁定在巧合的分布中。

“重合图像告诉我们光子对同时到达探测器的位置,”德埃里科补充道。 “新的相机技术允许进行分析,其中每个像素不仅可以为我们提供检测到的事件的数量,还可以以十亿分之一秒(纳秒)的分辨率跟踪它们的到达时间,这足以检测‘巧合’ ’光子。”

这些纠缠光子的波函数的最终图像强烈让人想起阴阳符号,在中国文化中代表着相互关联的力量的概念。然而,该作品的价值远远超出了单纯的美学。它还对依赖波函数和纠缠运行的量子计算机等量子技术产生影响。

“任何基于两个或多个粒子状态的生成和转换的量子技术都必须通过测量最终状态的波函数来进行测试,”德埃里科总结道。 “这项技术还有可能激发新的成像技术,超越经典光学的分辨率极限。”

参考资料: 齐亚. D.,德赫甘。 N.,德埃里科。 A. 等人,空间双光子态振幅和相位的干涉成像,自然光子学,(2023),DOI:10.1038/s41566–023–01272–3

特征图像来源:双光子态全息重建。自然光子学(2023)。 DOI:10.1038/s41566-023-01272-3

爱因斯坦曾经描述为“幽灵般的超距作用”的神秘现象被视为两个纠缠光子之间的波函数。

作者:罗伯特·李

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