自2019年人類第一次看到量子糾纏的影像以來，科學(xué)家仍然想要看得更清楚些。英國曼徹斯特學(xué)院的研究人員與羅馬薩皮恩扎學(xué)院的達(dá)尼洛·齊亞（Zia）和法比奧·夏里諾（Fabio）合作，近來展示了一種新技術(shù)，可以實時顯示兩個糾纏光子(構(gòu)成光的基本粒子)的波函數(shù)。這一成果有望加速量子技術(shù)的進(jìn)步，改進(jìn)量子態(tài)表征、量子通訊并開發(fā)新的量子成像技術(shù)。
研究論文發(fā)表于8月14日號的《自然光子學(xué)（）》上，研究人員展示了愈發(fā)清晰的量子糾纏成像，并在研究論文手指出，其圖象形狀為形意陰陽布光。
論文中圖片說明為：a、量子糾纏重合圖象（如插圖所示）酷似陰陽形意圖。插圖比列與主圖中的比列相同。b、重構(gòu)了投射在未知泵上的圖象的振幅和相位結(jié)構(gòu)。
量子糾纏理論
1935年，在斯坦福高等研究院，阿爾伯特·愛因斯坦（）與鮑里斯·波多爾斯基（Boris）、納森·羅森（Rosen）共同提出了EPR悖論。這個悖論顯示，在量子熱學(xué)中，兩個互相作用的粒子，無論相隔多遠(yuǎn)（理論上這個距離可以比銀河系半徑還大），其量子狀態(tài)仍能“糾纏”在一起，共享同一個整體的化學(xué)狀態(tài)。這些超距的量子關(guān)聯(lián)被稱為量子糾纏，也被愛因斯坦稱為“幽靈般的超距作用”。
80380
量子奇?zhèn)b傳：這張古往今來第一牛氣的相片
查看
目前，科學(xué)界普遍接受了量子熱學(xué)的正統(tǒng)解釋，也接受了量子糾纏的存在性。不過在很長一段時間里，人們一直沒有真正看見量子糾纏的圖象。
量子糾纏成像
假如要給量子糾纏照相，首先要構(gòu)建一個量子糾纏的系統(tǒng)，否則巧婦難為無米之炊。
波函數(shù)是量子熱學(xué)的核心原則，它提供了對粒子量子態(tài)的全面理解。諸如，以一雙鞋為例，量子糾纏的概念可以稱作隨機(jī)選擇一只鞋。在你認(rèn)出一只鞋的那一刻，另一只鞋的性質(zhì)（無論是雙腳還是雙腳）就立即會被認(rèn)下來，而不管它在宇宙中的任何位置。
在鞋的事例中量子糾纏通訊，鞋的“波函數(shù)”可以攜帶例如左或右、尺寸大小以及顏色等信息。更確切地說，波函數(shù)使量子科學(xué)家才能預(yù)測對量子實體進(jìn)行各類檢測的可能結(jié)果，比如位置、速度等。
這些預(yù)測能力十分有用，非常是在快速發(fā)展的量子技術(shù)領(lǐng)域，曉得量子計算機(jī)中形成或輸入的量子態(tài)將準(zhǔn)許測試計算機(jī)本身，進(jìn)而促使量子技術(shù)的發(fā)展。再者，量子估算中使用的量子態(tài)十分復(fù)雜，涉及許多可能表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非局部相關(guān)性(糾纏)的實體。
了解這些量子系統(tǒng)的波函數(shù)是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，這也被稱為量子態(tài)斷層掃描或量子斷層掃描。使用標(biāo)準(zhǔn)方式(基于所謂的投影操作)，完整的斷層掃描須要大量的檢測，這種檢測會隨著系統(tǒng)的復(fù)雜性(維度)降低而迅速降低。
量子層析成像的投影檢測方式可以被覺得是從獨立的方向觀察投射在不同墻面上的高維物體的陰影。
在2019年發(fā)表于《科學(xué)·進(jìn)展》的研究中，法國圖盧茲學(xué)院的化學(xué)學(xué)家保羅-安托萬·莫羅（Paul-）率領(lǐng)團(tuán)隊首次拍攝到量子糾纏的相片。總算，人類第一次親眼看到這些“幽靈般的超距作用”。
左為量子糾纏首次成像，右為黑洞第一次成像。
但是，在精典光學(xué)中，還有另一種重建3D物體的方式。這就是所謂的數(shù)字全息技術(shù)，它是基于記錄一個單一的圖象，稱為干涉圖，通過用參考光干涉物體的散射光來獲得。
此次研究人員就是通過干涉形式，找到一種重建相關(guān)雙光子態(tài)空間結(jié)構(gòu)的新方式。她們將上述概念擴(kuò)充到兩個光子的情況下。重建雙光子態(tài)須要將其與已知的量子態(tài)疊加，之后剖析兩個光子同時抵達(dá)的位置的空間分布。“我們在重建時間上實現(xiàn)了三個數(shù)目級的提高，對雙光子態(tài)具有高保真度，獲得了等于87%的平均保真度。”
對兩個光子同時抵達(dá)的成像稱為重合成像。這種光子可能來自參考源，也可能來自未知源。量子熱學(xué)強(qiáng)調(diào)，光子的來源是難以確定的量子糾纏通訊，這就形成了可以拿來重建未知波函數(shù)的干涉圖象。這項實驗是由一種先進(jìn)的單反實現(xiàn)的，該單反在每位象素上以毫秒(百萬分之1秒)的幀率記錄風(fēng)波。
圣地亞哥學(xué)院博士后、這篇論文的共同作者之一阿萊西奧·德埃里科(D')博士，指出了這些創(chuàng)新方式的巨大優(yōu)勢。“這種方式比先前的技術(shù)快得多，只需幾分鐘或幾秒鐘即可，而不是幾天。重要的是，測量時間不受系統(tǒng)復(fù)雜性的影響，這解決了投影斷層成像中常年存在的可擴(kuò)充性挑戰(zhàn)。”
這項研究的影響不僅僅局限于學(xué)術(shù)界，它還具有加速量子技術(shù)進(jìn)步的潛力，比如改進(jìn)量子態(tài)表征、量子通訊和開發(fā)新的量子成像技術(shù)等。