神秘之舞：新技术实现光子的量子纠缠快速可视化

腾讯科技讯 8月23日消息，加拿大渥太华大学的研究人员与罗马萨皮恩扎大学的达尼洛·齐亚（Danilo Zia）和法比奥·夏里诺（Fabio Sciarrino）合作，最近展示了一种新技术，可以实时显示两个纠缠光子(构成光的基本粒子)的波函数。这一成果有望加速量子技术的进步，改进量子态表征、量子通信并开发新的量子成像技术。相关研究刊发于最新一期《自然·光子学》杂志。

以一双鞋为例，量子纠缠的概念可以比作随机选择一只鞋。在你认出一只鞋的那一刻，另一只鞋的性质（无论是左脚还是右脚）就立刻会被认出来，而不管它在宇宙中的任何位置。然而，问题在于识别过程存在固有的不确定性，直到可以实时地、确切地观察到这个时刻。

图注：a：自发参属下转换（SPDC）与由阴阳符号形状的泵浦光束获得的状态之间干涉的重合图像。插图比例与主图相同。b：重构印在泵上的图像的振幅和相位结构

波函数是量子力学的核心原则，它提供了对粒子量子态的全面理解。例如，在鞋的例子中，鞋的“波函数”可以携带诸如左或右、尺寸大小以及颜色等信息。更准确地说，波函数使量子科学家能够预测对量子实体进行各种测量的可能结果，例如位置、速度等。

这种预测能力非常有用，特别是在快速发展的量子技术领域，知道量子计算机中产生或输入的量子态将允许测试计算机本身，从而促进量子技术的发展。此外，量子计算中使用的量子态非常复杂，涉及许多可能表现出强烈的非局部相关性(纠缠)的实体。

了解这种量子系统的波函数是一项具有挑战性的任务，这也被称为量子态断层扫描或量子断层扫描。使用标准方法(基于所谓的投影操作)，完整的断层扫描需要大量的测量，这些测量会随着系统的复杂性(维度)增加而迅速增加。研究小组先前用这种方法进行的实验表明，表征或测量两个纠缠光子的高维量子态可能需要几个小时甚至几天。此外，所得结果的质量对噪声高度敏感，并取决于实验装置的复杂程度。

量子层析成像的投影测量方法可以被认为是从独立的方向观察投射在不同墙壁上的高维物体的阴影。研究者所能看到的只是阴影，他们可以从中推断出整个物体的形状(或状态)。例如，在CT扫描(计算机断层扫描)中，可以从一组2D图像中重建3D对象的信息。

然而，在经典光学中，还有另一种重建3D物体的方法。这就是所谓的数字全息技术，它是基于记录一个单一的图像，称为干涉图，通过用参考光干涉物体的散射光来获得。

获得最新发现的研究团队由加拿大结构量子波研究主席、渥太华量子技术（NexQT）研究所联合主任、理学院副教授易卜拉欣·卡里米(Ibrahim Karimi)领导，他们将上述概念扩展到两个光子的情况下。重建双光子态需要将其与已知的量子态叠加，然后分析两个光子同时到达的位置的空间分布。

参加研究的几位人员，从左到右分别为阿莱西奥·德埃里科博士、易卜拉欣·卡里米博士以及纳扎宁·德赫甘博士

对两个光子同时到达的成像称为重合成像。这些光子可能来自参考源，也可能来自未知源。量子力学指出，光子的来源是无法确定的，这就产生了可以用来重建未知波函数的干涉图像。这项实验是由一种先进的相机实现的，该相机在每个像素上以纳秒(百万分之一秒)的分辨率记录事件。

渥太华大学博士后、这篇论文的共同作者之一阿莱西奥·德埃里科(Alessio D 'Errico)博士，强调了这种创新方法的巨大优势。他说：“这种方法比以前的技术快得多，只需几分钟或几秒钟即可，而不是几天。重要的是，检测时间不受系统复杂性的影响，这解决了投影断层成像中长期存在的可扩展性挑战。”

这项研究的影响不仅仅局限于学术界，它还具有加速量子技术进步的潜力，例如改进量子态表征、量子通信和开发新的量子成像技术等。（文/金鹿）