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比黑洞照片更震撼!人類拍到第一張量子糾纏照片

 taotao_2016 2019-07-17


  新智元原創(chuàng)  

編輯:金磊、張佳、小芹

【新智元導(dǎo)讀】前一陣子首張黑洞照片的問世轟動全球,而近日,科學(xué)家首次拍到“量子糾纏”的照片再次引爆互聯(lián)網(wǎng)!愛因斯坦不愿承認的“幽靈“終于有了鐵證,這對量子計算和成像技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。黑洞和量子糾纏的照片哪個更酷?來新智元和群 發(fā)表觀點吧!

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還記得前段時間發(fā)布的第一張黑洞照片嗎?可謂是瞬間引爆全網(wǎng)。

而近日,又一張轟動網(wǎng)絡(luò)的照片誕生,它就是有史以來第一張量子糾纏的照片。

左:量子糾纏照片;右:黑洞照片

(弱弱的說一句:量子糾纏的照片和新智元的logo還真有幾分相似。)

早在1935年,愛因斯坦、Boris Podolsky和Nathan Rosen合著的論文“量子力學(xué)對物理現(xiàn)實的描述能被認為是完整的嗎?”中就提出了“EPR悖論”,其中就涉及到量子糾纏。

愛因斯坦等人論文:https://journals./pr/pdf/10.1103/PhysRev.47.777

所謂“量子糾纏”,是指在量子力學(xué)領(lǐng)域,兩個相互作用的粒子(例如通過分束器的兩個光子)無論它們相隔多遠,仍能以一種非常奇妙的方式“糾纏”在一起,瞬間共享它們的物理狀態(tài)。

這種聯(lián)系被稱為量子糾纏,它是量子力學(xué)領(lǐng)域的基本現(xiàn)象和主要支柱之一,愛因斯坦認為這是不可能的,曾將其稱為“幽靈般的超距作用”。

量子糾纏被用于量子計算和密碼學(xué)等實際應(yīng)用中,但這么多年來,還沒有人能夠成功地捕獲它的圖像。

直到最近,英國格拉斯哥大學(xué)的物理學(xué)家Paul-Antoine Moreau帶領(lǐng)團隊拍攝到了這一現(xiàn)象,并發(fā)表論文描述他們是如何捕獲量子糾纏的。

論文地址:

https://advances./content/5/7/eaaw2563

人類首次拍到的量子糾纏圖像

4幅圖像中的貝爾不等式不成立(Bell inequality violation)

在實驗的第一個實現(xiàn)中,我們獲得了4個獨立的量子糾纏圖像,對應(yīng)于 θ2 = {0° , 45° , 90° , 135° }的四個方向。將ICCD相機獲得的閾值幀直接相加得到的圖像如下圖所示:

圖2A:全幀圖像記錄了貝爾不等式不成立的四幅圖像

可以在每個圖像中沿著相位圓對象的邊緣定義一個環(huán)形感興趣區(qū)域(ROI),如下圖B-E所示。

圖2(B-E)

單幅圖像中的貝爾不等式不成立

在實驗的第二個實現(xiàn)中,我們演示了在單個累積圖像中貝爾不等式不成立的情況,以演示量子成像到達高維并行測量的能力。

圖3A: 全幀圖像記錄了貝爾不等式不成立的單幅圖像

研究人員對每個濾波器以不同的方式偏離arm 2中的光束,從而獲得相機光敏陣列不同部位的相位圓的四幅并行圖像。

在相機捕獲的每一幀的曝光時間,我們隨機選擇4個θ2 ={0°、45°、90°、135°}的不同 phase filters,然后將圖3A中所示的單個圖像進行累加。

圖3B

圖3C

通過對圖像進行類似處理,定義如圖3B的四個ROI,得到圖3C中的曲線。

實驗實現(xiàn)了相位對象的時變位移

然后,研究人員再現(xiàn)了與前面展示的相同的單個圖像的獲取,但現(xiàn)在的不同之處在于,對于每個圖像,都選擇了相位圓的一個位置,并跟蹤這個位置。得到的原始圖像如圖4A所示。

圖4A:通過我們的協(xié)議獲得的原始單幅圖像,對應(yīng)于用具有不同方向的四個相位濾波器獲得的相同相位圓的圖像,θ2= {0°,45°,90°,135° }

然而,可以利用相位圓的位置信息對每幅圖像進行反掃描,然后再將所有圖像相加。結(jié)果如圖4B所示。

圖4B

在這里,可以再次看到四個不同的濾波相位圓,表示一個貝爾不等式測試。

從EPR悖論,到貝爾不等式

在上個世紀,愛因斯坦、鮑里斯?波多爾斯基和納森?羅森共同提出了著名的EPR悖論(EPR分別是三位科學(xué)家姓氏首字母縮寫):

  • 如果一個物理理論對物理實在的描述是完備的,那么物理實在的每個要素都必須在其中有它的對應(yīng)量,即完備性判據(jù)。

  • 當我們不對體系進行任何干擾,卻能確定地預(yù)言某個物理量的值時,必定存在著一個物理實在的要素對應(yīng)于這個物理量,即實在性判據(jù)。

簡單來說,他們認為量子力學(xué)之所以能呈現(xiàn)出不可預(yù)測的概率性,是因為存在一些隱藏的物理變量。

愛因斯坦認為,如果這些隱變量真的存在,就必須把它們找出來。他也希望用所謂的 “定域隱變量理論” 來取代量子力學(xué)理論。

但是,到了1964年,年輕的貝爾提出了轟動世界的貝爾不等式。

這是一個有關(guān)是否存在完備局域隱變量理論的不等式。實驗表明貝爾不等式不成立,說明不存在關(guān)于局域隱變量的物理理論可以復(fù)制量子力學(xué)的每一個預(yù)測(即貝爾定理)。

在貝爾的論文中,他給出了一個不等式:

若S=2,說明沒有量子糾纏;

若2<S<23/2,說明存在量子糾纏。

而目前,科學(xué)界普遍接受了量子糾纏的存在,但卻沒有人真正見到過量子糾纏的圖像。

在圖像中執(zhí)行貝爾不等式檢驗的成像設(shè)備

為了獲取量子糾纏的圖像,研究人員先是搭建了實驗系統(tǒng)。

在圖像中執(zhí)行貝爾不等式檢驗的成像設(shè)備

在這個系統(tǒng)中,由一個β-硼酸鋇(BBO)晶體組成,從而通過自發(fā)參數(shù)下轉(zhuǎn)換(SPDC)在710 nm處產(chǎn)生空間糾纏的光子對。

這兩個光子在一個分束器上分離,并傳播到兩個不同的光學(xué)系統(tǒng):

  • 第一個光子被放置在晶體的像平面上的空間光調(diào)制器(SLM)反射并顯示相位對象,然后被收集到單模光纖(SMF)中,隨后被單光子雪崩二極管(SPAD)檢測到;

  • 第二個光子通過一個約20米長的圖像保存延遲線傳播,最后被一個增強電荷耦合器件(ICCD)相機檢測到。

——公式1

在這個實驗過程中,研究人員為了對貝爾不等式進行成像,他們使用了簡化版的公式1與通過SPDC生成的EPR狀態(tài)所表現(xiàn)出的空間相關(guān)性結(jié)合,來獲得貝爾行為的空間分辨率圖像。

“自然基本屬性的優(yōu)雅展示”意味著什么?

最后,論文一作Paul-Antoine Moreau博士表示:

“這張圖像是對自然基本屬性的優(yōu)雅展示,量子糾纏第一次以圖像的形式被看到,這一結(jié)果可推動量子計算新興領(lǐng)域的發(fā)展,并催生新型成像技術(shù)和設(shè)備?!?/p>

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