比黑洞照片更震撼!人类拍到第一张量子纠缠照片

量子纠缠被用于量子计算和密码学等实际应用中,但这么多年来,还没有人能够成功地捕获它的图像。

新智元原创

编辑:金磊、张佳、小芹

【新智元导读】前一阵子首张黑洞照片的问世轰动全球,而近日,科学家首次拍到“量子纠缠”的照片再次引爆互联网!爱因斯坦不愿承认的“幽灵“终于有了铁证,这对量子计算和成像技术的发展具有重要意义。黑洞和量子纠缠的照片哪个更酷?来新智元和群发表观点吧!

还记得前段时间发布的第一张黑洞照片吗?可谓是瞬间引爆全网。

而近日,又一张轰动网络的照片诞生,它就是有史以来第一张量子纠缠的照片

左:量子纠缠照片;右:黑洞照片

(弱弱的说一句:量子纠缠的照片和新智元的logo还真有几分相似。)

早在1935年,爱因斯坦、Boris Podolsky和Nathan Rosen合著的论文“量子力学对物理现实的描述能被认为是完整的吗?”中就提出了“EPR悖论”,其中就涉及到量子纠缠。

爱因斯坦等人论文:https://journals.aps.org/pr/pdf/10.1103/PhysRev.47.777

所谓“量子纠缠”,是指在量子力学领域,两个相互作用的粒子(例如通过分束器的两个光子)无论它们相隔多远,仍能以一种非常奇妙的方式“纠缠”在一起,瞬间共享它们的物理状态。

这种联系被称为量子纠缠,它是量子力学领域的基本现象和主要支柱之一,爱因斯坦认为这是不可能的,曾将其称为“幽灵般的超距作用”。

量子纠缠被用于量子计算和密码学等实际应用中,但这么多年来,还没有人能够成功地捕获它的图像。

直到最近,英国格拉斯哥大学的物理学家Paul-Antoine Moreau带领团队拍摄到了这一现象,并发表论文描述他们是如何捕获量子纠缠的。

论文地址:

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

人类首次拍到的量子纠缠图像

4幅图像中的贝尔不等式不成立(Bell inequality violation)

在实验的第一个实现中,我们获得了4个独立的量子纠缠图像,对应于 θ2 = 的四个方向。将ICCD相机获得的阈值帧直接相加得到的图像如下图所示:

图2A:全帧图像记录了贝尔不等式不成立的四幅图像

可以在每个图像中沿着相位圆对象的边缘定义一个环形感兴趣区域(ROI),如下图B-E所示。

图2(B-E)

单幅图像中的贝尔不等式不成立

在实验的第二个实现中,我们演示了在单个累积图像中贝尔不等式不成立的情况,以演示量子成像到达高维并行测量的能力。

图3A: 全帧图像记录了贝尔不等式不成立的单幅图像

研究人员对每个滤波器以不同的方式偏离arm 2中的光束,从而获得相机光敏阵列不同部位的相位圆的四幅并行图像。

在相机捕获的每一帧的曝光时间,我们随机选择4个θ2 =的不同 phase filters,然后将图3A中所示的单个图像进行累加。

图3B

图3C

通过对图像进行类似处理,定义如图3B的四个ROI,得到图3C中的曲线。

实验实现了相位对象的时变位移

然后,研究人员再现了与前面展示的相同的单个图像的获取,但现在的不同之处在于,对于每个图像,都选择了相位圆的一个位置,并跟踪这个位置。得到的原始图像如图4A所示。

图4A:通过我们的协议获得的原始单幅图像,对应于用具有不同方向的四个相位滤波器获得的相同相位圆的图像,θ2=

然而,可以利用相位圆的位置信息对每幅图像进行反扫描,然后再将所有图像相加。结果如图4B所示。

图4B

在这里,可以再次看到四个不同的滤波相位圆,表示一个贝尔不等式测试。

从EPR悖论,到贝尔不等式

在上个世纪,爱因斯坦、鲍里斯 波多尔斯基和纳森 罗森共同提出了著名的EPR悖论(EPR分别是三位科学家姓氏首字母缩写):

如果一个物理理论对物理实在的描述是完备的,那么物理实在的每个要素都必须在其中有它的对应量,即完备性判据

当我们不对体系进行任何干扰,却能确定地预言某个物理量的值时,必定存在着一个物理实在的要素对应于这个物理量,即实在性判据

简单来说,他们认为量子力学之所以能呈现出不可预测的概率性,是因为存在一些隐藏的物理变量。

爱因斯坦认为,如果这些隐变量真的存在,就必须把它们找出来。他也希望用所谓的 “定域隐变量理论” 来取代量子力学理论。

但是,到了1964年,年轻的贝尔提出了轰动世界的贝尔不等式。

这是一个有关是否存在完备局域隐变量理论的不等式。实验表明贝尔不等式不成立,说明不存在关于局域隐变量的物理理论可以复制量子力学的每一个预测(即贝尔定理)。

在贝尔的论文中,他给出了一个不等式:

若S=2,说明没有量子纠缠;

若23/2,说明存在量子纠缠。

而目前,科学界普遍接受了量子纠缠的存在,但却没有人真正见到过量子纠缠的图像。

在图像中执行贝尔不等式检验的成像设备

为了获取量子纠缠的图像,研究人员先是搭建了实验系统。

在图像中执行贝尔不等式检验的成像设备

在这个系统中,由一个β-硼酸钡(BBO)晶体组成,从而通过自发参数下转换(SPDC)在710 nm处产生空间纠缠的光子对。

这两个光子在一个分束器上分离,并传播到两个不同的光学系统:

第一个光子被放置在晶体的像平面上的空间光调制器(SLM)反射并显示相位对象,然后被收集到单模光纤(SMF)中,随后被单光子雪崩二极管(SPAD)检测到;

第二个光子通过一个约20米长的图像保存延迟线传播,最后被一个增强电荷耦合器件(ICCD)相机检测到。

——公式1

在这个实验过程中,研究人员为了对贝尔不等式进行成像,他们使用了简化版的公式1与通过SPDC生成的EPR状态所表现出的空间相关性结合,来获得贝尔行为的空间分辨率图像。

“自然基本属性的优雅展示”意味着什么?

最后,论文一作Paul-Antoine Moreau博士表示:

“这张图像是对自然基本属性的优雅展示,量子纠缠第一次以图像的形式被看到,这一结果可推动量子计算新兴领域的发展,并催生新型成像技术和设备。”