神秘之舞：新技術實現光子的量子糾纏快速視覺化

這項研究的影響不僅限於學術界，它還具有加速量子技術進步的潛力，例如改進量子態表徵、量子通訊和開發新的量子成像技術等。

騰訊科技訊8月23日消息，加拿大渥太華大學的研究人員與羅馬薩皮恩扎大學的達尼洛·齊亞（Danilo Zia）和法比奧·夏裡諾（Fabio Sciarrino）合作，最近展示了一種新技術，可以即時顯示兩個糾纏光子(構成光的基本粒子)的波函數。這項成果有望加速量子技術的進步，改進量子態表徵、量子通訊並開發新的量子成像技術。相關研究刊發於最新一期《自然·光子學》雜誌。

以一雙鞋為例，量子糾纏的概念可以比喻為隨機選擇一隻鞋。在你認出一隻鞋的那一刻，另一隻鞋的性質（無論是左腳還是右腳）就立刻會被認出來，而不管它在宇宙中的任何位置。然而，問題在於識別過程存在著固有的不確定性，直到可以即時地、確切地觀察到這個時刻。

圖註：a：自發參屬下轉換（SPDC）與由陰陽符號形狀的泵浦光束所獲得的狀態之間干涉的重合影像。插圖比例與主圖相同。 b：重構印在幫浦上的影像的振幅和相位結構

波函數是量子力學的核心原則，它提供了對粒子量子態的全面理解。例如，在鞋子的例子中，鞋的「波函數」可以攜帶諸如左或右、尺寸大小以及顏色等資訊。更準確地說，波函數使量子科學家能夠預測對量子實體進行各種測量的可能結果，例如位置、速度等。

這種預測能力非常有用，特別是在快速發展的量子技術領域，知道量子電腦中產生或輸入的量子態將允許測試電腦本身，從而促進量子技術的發展。此外，量子計算中使用的量子態非常複雜，涉及許多可能表現出強烈的非局部相關性(糾纏)的實體。

了解這種量子系統的波函數是一項具有挑戰性的任務，這也被稱為量子態斷層掃描或量子斷層掃描。使用標準方法(基於所謂的投影操作)，完整的斷層掃描需要大量的測量，這些測量會隨著系統的複雜性(維度)增加而迅速增加。研究小組先前用這種方法進行的實驗表明，表徵或測量兩個糾纏光子的高維度量子態可能需要幾個小時甚至幾天。此外，所得結果的品質對噪音高度敏感，並取決於實驗裝置的複雜程度。

量子層析成像的投影測量方法可以被認為是從獨立的方向觀察投射在不同牆壁上的高維度物體的陰影。研究者所能看到的只是陰影，他們可以從中推論出整個物體的形狀(或狀態)。例如，在CT掃描(電腦斷層掃描)中，可以從一組2D影像中重建3D物件的資訊。

然而，在經典光學中，還有另一種重建3D物體的方法。這就是所謂的數位全像技術，它是基於記錄一個單一的影像，稱為干涉圖，透過參考光干涉物體的散射光來獲得。

獲得最新發現的研究團隊由加拿大結構量子波研究主席、渥太華量子技術（NexQT）研究所聯合主任、理學院副教授易卜拉欣·卡里米(Ibrahim Karimi)領導，他們將上述概念擴展到兩個光子的情況下。重建雙光子態需要將其與已知的量子態疊加，然後分析兩個光子同時到達的位置的空間分佈。

參加研究的幾位人員，由左至右分別為阿萊西奧·德埃里科博士、易卜拉欣·卡里米博士以及納扎寧·德赫甘博士

對兩個光子同時到達的成像稱為重合成像。這些光子可能來自參考源，也可能來自未知源。量子力學指出，光子的來源是無法確定的，這產生了可以用來重建未知波函數的干涉影像。這項實驗是由先進的相機實現的，該相機在每個像素上以納秒(百萬分之一秒)的分辨率記錄事件。

渥太華大學博士後研究員、這篇論文的共同作者之一阿萊西奧·德埃里科(Alessio D 'Errico)博士，強調了這種創新方法的巨大優勢。他說：「這種方法比以前的技術快得多，只需幾分鐘或幾秒鐘即可，而不是幾天。重要的是，檢測時間不受系統複雜性的影響，這解決了投影斷層成像中長期存在的可擴展性挑戰。

這項研究的影響不僅限於學術界，它還具有加速量子技術進步的潛力，例如改進量子態表徵、量子通訊和開發新的量子成像技術等。