量子“阴阳”显示两个光子被实时纠缠

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By Ben Turner

2023/8/26

Quantum Physics

这个令人惊叹的从一个2D干涉图案重构纠缠的光子的属性的实验可被用于设计更快的量子计算机。

一幅重构两个纠缠的光子的全息图像。 (Image credit: Nature Photonics, Zia et al.)

科学家们已经用一种首创的技术来实时可视化两个纠缠的光粒子------使它们出现为一个惊人的量子“阴阳”符号。

这种叫双光子数字全息术的新方法用一台超高精度相机并可用于大规模加速未来量子测量。

研究人员于8月14日在自然光子学（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）反对为 “在距离上的诡异行动”的两个遥远隔开的粒子之间的诡异联系------使两个光粒子或光子能变的彼此密不可分的结合，如此无论它们相隔多远对一个的变化造成另一个中的变化。

为了做出关于一个量子物体的准确预测，物理学家需要找到它的波函数：一种它的状态存在于一个光子能采取的所有可能的物理值的超位态的描述。纠缠使发现两个相连的粒子的波函数成为一个挑战，因为对一个粒子的任何测量也造成另一个粒子中的瞬时变化。

照片（从左到右）：Alessio D'Errico博士、Ebrahim Karimi博士和Nazanin Dehghan。 (Image credit: University of Ottowa)

物理学家通常通过一种叫量子体层摄影的方法走近这个障碍。通过取一个复杂的量子态并对它应用投影，他们在与其它的隔离中测量属于该状态的某些属性诸如它的偏振或动量。

通过在多个量子态的副本上重复这些测量，物理学家能从更低维切片建立起一种原始的感觉------就像从2D阴影投射在周围墙壁上重构一个3D物体的形状一样。

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这个过程给出所有正确的信息，但它也需要大量的测量并吐出许多“不被允许”的不遵循物理定律来套上的状态。这给科学家们留下了繁重的煞费苦心清除无意义的、非物理的状态的任务，一个依靠一个系统的复杂性能用数小时甚至数天的努力。

为绕过这个问题，研究人员用全息术从更高维度变成可管理的、更低维块来编码信息。

光学全息影像用两束光束来创建一个3D 图像：一束光束击中物体并从物体反弹，而另一束光束照射在一种记录介质上。全息图从光干涉的模式或其中两个光波的波峰和波谷彼此相加或彼此抵消的模式形成。物理学家用一种通过他们用另一个已知状态弄成的干涉图案的类似方法来捕获纠缠的光子状态的图像。然后，通过用一台纳秒精度的相机捕获结果的图像，研究人员梳理分开了他们接收的干涉图案------揭示两个纠缠的光子的一个令人惊叹的阴阳图像。

该研究的共同作者、加拿大渥太华大学博士后研究员阿列西奥德米克在一份声明中说 ，“这种方法比以前的技术指数般的更快，只需要几分钟或几秒钟而不是几天”。

https://www.livescience.com/physics-mathematics/quantum-physics/quantum-yin-yang-shows-two-photons-being-entangled-in-real-time