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,無論被分隔到多么遙遠,它們都可以保持聯系,并瞬間共享它們的物理狀態。這種神秘的聯系被稱為量子糾纏的超距作用”。
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并不兼容。后來,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。
一篇于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納米的準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,并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
第一個光子被放置于晶體的成像面上的空間光調制器(SLM)反射,并在被一個單模光纖收集之前,顯示出一個相位物體,然后在被光纖收集之后,再被一個單光子雪崩二極管(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(相當于物體的傅里葉平面)的SLM反射。然后,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,并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,它將可以用于革新量子計算的新興領域,帶來新型的成像方法?!?/p>
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原文標題:量子糾纏的第一張圖像
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