量子“阴阳”显示两个光子实时纠缠

这个令人惊叹的实验从2D干涉图中重建纠缠光子的特性，可用于设计更快的量子计算机。

科学家们使用了一种首创的技术来实时可视化两个纠缠的光粒子——使它们看起来像一个令人惊叹的古代中国“阴阳”符号。

两个纠缠光子的全息图像的重建

科学家们使用了一种首创的技术来实时可视化两个纠缠的光粒子——使它们看起来像一个令人惊叹的古代中国“阴阳”符号。

这种称为双光子数字全息术的新方法利用超高精度相机，可用于大幅加快未来的量子测量速度。

研究人员于8月14日在《自然光子学》（the journal Nature Photonics）杂志上发表了他们的发现。

量子纠缠——阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）反对的两个相距遥远的粒子之间的奇怪联系，称其为“远距离的幽灵般的作用”——使两个光粒子或光子彼此之间的联系密不可分，因此，无论它们相距多远，一个粒子的变化都会引起另一个粒子的变化。

为了对量子对象做出准确的预测，物理学家需要找到它的波函数：一个描述其状态的函数，存在于光子可能取的所有物理值的叠加中。纠缠使得找到两个关联粒子的波函数变得具有挑战性，因为对其中一个的任何测量也会导致另一个粒子瞬间发生变化。

通过对多个副本的量子态重复进行这些测量，物理学家可以从低维切片中逐步建立对原始态的理解——就像从其在周围墙壁上投射的二维影子重建三维物体的形状一样。

物理学家通常通过一种称为量子成像的方法来应对这一难题。通过对复杂的量子态进行投影，他们在与其他性质隔离的情况下，测量该状态一些特性，比如其偏振或动量。

论文作者（Left to right: Dr. Alessio D'Errico, Dr. Ebrahim Karimi, and Nazanin Dehghan）

这个过程提供了所有正确的信息，但它也需要大量的测量，并且还会产生许多不符合物理法则的“被禁止”状态。这使得科学家们不得不承担繁重的任务，费力地剔除那些毫无意义、不切实际的状态，这一过程可能根据系统的复杂性而花费数小时甚至数天。

为了解决这个问题，研究人员采用全息技术将高维信息编码成易于处理的低维块。

光学全息图使用两束光来创建三维图像：一束光照射在物体上并从其表面反射，另一束光则照射在记录介质上。全息图由光波干涉的图案形成，即两束光波峰谷相加或相互抵消的模式。物理学家使用类似的方法，通过他们与另一个已知状态形成的干涉图案来捕获纠缠光子态的图像。然后，通过用纳秒级精确度的相机捕获所生成的图像，研究人员剖析了接收到的干涉图案——揭示出一个令人惊艳的阴阳图像，展示了两个纠缠光子。

“这种方法比以前的技术快得多，只需几分钟或几秒钟，而不是几天，”该研究的共同作者、加拿大渥太华大学的博士后研究员阿莱西奥·德里科在一份声明中表示。