量子糾纏的第一張圖像

有時，兩個相互作用的粒子——比如兩個通過分束器的光子，無論被分隔到多麼遙遠，它們都可以保持聯繫，並瞬間共享它們的物理狀態。這種神秘的聯繫被稱為量子糾纏，它支撐了整個量子力學領域。愛因斯坦曾將這一現象稱為「鬼魅般的超距作用」。

愛因斯坦之所以稱之為「鬼魅」，是因為兩個相距甚遠的糾纏粒子之間的相互作用所表現出的瞬時性，似乎與他的狹義相對論並不兼容。後來，約翰·貝爾（John Bell）正式提出了這種非局域相互作用的概念，描述了一種能展現這種鬼魅效應的強糾纏形式——被稱為貝爾糾纏。一直以來，雖然貝爾糾纏在量子計算和密碼學等許多實際應用中都得到了應用，但我們從來沒有捕獲它的圖像。

一篇於7月12日發表在《科學進展》上的論文中，格拉斯哥大學的一組物理學家描述了他們如何讓這種「鬼魅現象」首次出現在圖像中，這是第一次捕捉到量子糾纏的視覺證據。

○ 實驗涉及到在4種不同的相變下捕捉光子的圖像，圖中所呈現的實際上是光子經過了一系列的4個相變時所產生的多重圖像的結合。| 圖片來源：Moreau et al., Science Advances, 2019

他們設計了一個系統（實驗系統的設置如下圖所示），一個波長為355納米的准連續激光通過了一個BBO晶體（偏硼酸鋇晶體），從而通過自發參量下轉換（SPDC）過程產生了在空間上糾纏的光子對。這兩個波長為710納米的光子在一個分束器（BS）上分離，並沿著光學系統中的兩條不同的光路傳播。

○ 實驗人員設置了一個超靈敏的照相機，能夠檢測到單個光子，只有當同時捕捉到一個光子和與它糾纏的另一個粒子時，照相機才會拍下照片，從而記錄下了一個可見的光子糾纏記錄。| 圖片來源：Moreau et al., Science Advances, 2019

第一個光子被放置於晶體的成像面上的空間光調製器（SLM）反射，並在被一個單模光纖收集之前，顯示出一個相位物體，然後在被光纖收集之後，再被一個單光子雪崩二極體（SPAD）探測到。另一個光子沿著另一條光路傳播，它被一個放置在晶體的傅里葉平面（相當於物體的傅里葉平面）的SLM反射。然後，這個光子會通過一個長約20米的延遲線（Delay line）傳播，最終被一個增強型電荷耦合檢測器（ICCD）相機檢測到。

ICCD相機會根據放置在第一條光路上的SPAD探測到光子的情況而被有條件地觸發的。而延遲線則確保了從ICCD相機所捕獲的圖像與SPAD檢測到的圖像是同步的。第二條光路中延遲線的存在彌補了相機的觸發延遲，並確保了第二個光子入射到相機上的時間的精確度，從而記錄下了一個可見的光子糾纏記錄。

物理學家Paul-Antoine Moreau是這篇論文的第一作者，他說：「我們成功捕捉到的這張照片，優雅地展示了自然的一個基本屬性，這是這個屬性第一次以圖像的形式出現……這是一個令人興奮的結果，它將可以用於革新量子計算的新興領域，帶來新型的成像方法。」

參考鏈接：

[1]https://phys.org/news/2019-07-scientists-unveil-first-ever-image-quantum.html

[2]https://advances.sciencemag.org/content/5/7/eaaw2563

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