比黑洞照片更震撼！人類拍到第一張量子糾纏照片

 新智元原創

編輯：金磊、張佳、小芹

【新智元導讀】前一陣子首張黑洞照片的問世轟動全球，而最近，科學家首次拍到「量子糾纏」的照片再次引爆互聯網！愛因斯坦不願承認的「幽靈「終於有了鐵證，這對量子計算和成像技術的發展具有重要意義。黑洞和量子糾纏的照片哪個更酷？

還記得前段時間發布的第一張黑洞照片嗎？可謂是瞬間引爆全網。

而最近，又一張轟動網路的照片誕生，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「量子力學對物理現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.aps.org/pr/pdf/10.1103/PhysRev.47.777

所謂「量子糾纏」，是指在量子力學領域，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。

這種聯繫被稱為量子糾纏，它是量子力學領域的基本現象和主要支柱之一，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」。

量子糾纏被用於量子計算和密碼學等實際應用中，但這麼多年來，還沒有人能夠成功地捕獲它的圖像。

直到最近，英國格拉斯哥大學的物理學家Paul-Antoine Moreau帶領團隊拍攝到了這一現象，並發表論文描述他們是如何捕獲量子糾纏的。

論文地址：

https://advances.sciencemag.org/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中，我們獲得了4個獨立的量子糾纏圖像，對應於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形感興趣區域(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並行測量的能力。

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並行圖像。

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，然後將圖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。

實驗實現了相位對象的時變位移

然後，研究人員再現了與前面展示的相同的單個圖像的獲取，但現在的不同之處在於，對於每個圖像，都選擇了相位圓的一個位置，並跟蹤這個位置。得到的原始圖像如圖4A所示。

圖4A：通過我們的協議獲得的原始單幅圖像，對應於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資訊對每幅圖像進行反掃描，然後再將所有圖像相加。結果如圖4B所示。

圖4B

在這裡，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、鮑裡斯・波多爾斯基和納森・羅森共同提出了著名的EPR悖論(EPR分別是三位科學家姓氏首字母縮寫)：

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

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• 當我們不對體系進行任何事擾，卻能確定地預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於這個物理量，即實在性判據。

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簡單來說，他們認為量子力學之所以能呈現出不可預測的概率性，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，說明不存在關於局域隱變量的物理理論可以復制量子力學的每一個預測(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。

在圖像中執行貝爾不等式查驗的成像設備

為了獲取量子糾纏的圖像，研究人員先是搭建了實驗系統。

在圖像中執行貝爾不等式查驗的成像設備

在這個系統中，由一個β-硼酸鋇(BBO)晶體組成，從而通過自發參數下轉換(SPDC)在710 nm處產生空間糾纏的光子對。

這兩個光子在一個分束器上分離，並傳播到兩個不同的光學系統：

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

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

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——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狀態所表現出的空間相幹性結合，來獲得貝爾行為的空間分辨率圖像。

「自然基本屬性的優雅展示」意味著什麼？

最後，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雅展示，量子糾纏第一次以圖像的形式被看到，這一結果可推進量子計算新興領域的發展，並催生新型成像技術和設備。」