第一張「量子糾纏」圖像背後隱藏的秘密

在1935年，愛因斯坦帶著兩個小夥伴一起發表了篇著名的文章，人們把這篇文章叫做EPR實驗。EPR是取自這三個人的名字的首字母（E:愛因斯坦、P：波多爾斯基和R：羅森）。

在這篇文章中，愛因斯坦通過疊加態和守恆律得出了一個結論，那就是量子世界會發生超光速的事情。

要知道愛因斯坦的相對論里有個基本假設：光速是物質和信息傳遞的最快速度，所以這讓愛因斯坦根本無法接受。

經過了幾十年的研究，EPR實驗變成了EPR佯謬。

貝爾是愛因斯坦的信徒，他開始想證明愛因斯坦是對的，於是提出了貝爾不等式。結果這個不等式導出愛因斯坦錯了！

後來，很多實驗都證明了貝爾不等式的推論。因此，量子糾纏被證實真實存在。

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。

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。

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。

一、圖像分析：

從圖像上能夠清晰的看出，糾纏的光子對在空間中的相位具有完美地對稱性。它們相互互補為一個整體。

糾纏光子對的性質：

1）空間相位（幾何結構）的互補對稱；

2）互補成為一個整體。

這是一張糾纏光子聚在一起時拍攝的圖片，那麼，被分開遙遠距離的糾纏光子是否依然保持相位空間的對稱性？（即無論被分隔多遠，互為糾纏的光子在空間中的相位關係是否始終保持對稱？）

宇宙「指南針」

根據量子糾纏原理我們可以製造出「宇宙指南針」，在茫茫無邊的宇宙空間中辨別方向。

宇宙「指南針」的設計以糾纏光子對為主要元素。首先，建立一對相互糾纏的光子對。一個被「固定」在地球上的「位置基地」，另一個安置在宇宙飛船為飛船辨別方向。我們可以標記好「位置基地」光子的相位方向。根據糾纏原理，隨飛船飛行的光子保持與該光子同步對稱的相位關係。所以，通過一個光子的空間相位，我們就可以清楚的知道另一個光子的空間方向。

二、實驗分析。

實驗系統中，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），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——兩個波長為710納米的光子。

糾纏光子的製備過程本質是相干波的疊加，所以，糾纏的光子對之間具有「關聯性」（類似於兩列波的「疊加態」）。糾纏光子對構成一個「複合電磁振動模式」（糾纏現象本質是電磁場的複合振動模式，即相關電磁振動之間建立的複雜振動模式。所以，電磁場以及電磁作用可以進行複合運算。），每一個光子是「複合模式」中的一個「單體振動」。

比如，一個湖面中存在幾列不相遇的波，若改變其中任意一列波都會引起湖水的振動，從而影響到其它的波。所以，這些波之間具有「關聯性」。由這些波組成的系統是一個「複合系統」，每一列波都是「複合系統」的一個「單體」（子系統）。量子糾纏就類似這個「複合系統」。因此，對量子糾纏的研究需要從「複合電磁模式」開展。

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