騰訊科技訊 8月23日消息，加拿大渥太華大學(xué)的研究人員與羅馬薩皮恩扎大學(xué)的達(dá)尼洛·齊亞（Danilo Zia）和法比奧·夏里諾（Fabio Sciarrino）合作，最近展示了一種新技術(shù)，可以實(shí)時(shí)顯示兩個(gè)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、量子通信并開發(fā)新的量子成像技術(shù)。相關(guān)研究刊發(fā)于最新一期《自然·光子學(xué)》雜志。

以一雙鞋為例，量子糾纏的概念可以比作隨機(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)（無論是左腳還是右腳）就立刻會(huì)被認(rèn)出來，而不管它在宇宙中的任何位置。然而，問題在于識(shí)別過程存在固有的不確定性，直到可以實(shí)時(shí)地、確切地觀察到這個(gè)時(shí)刻。

波函數(shù)是量子力學(xué)的核心原則，它提供了對(duì)粒子量子態(tài)的全面理解。例如，在鞋的例子中，鞋的“波函數(shù)”可以攜帶諸如左或右、尺寸大小以及顏色等信息。更準(zhǔn)確地說，波函數(shù)使量子科學(xué)家能夠預(yù)測(cè)對(duì)量子實(shí)體進(jìn)行各種測(cè)量的可能結(jié)果，例如位置、速度等。

這種預(yù)測(cè)能力非常有用，特別是在快速發(fā)展的量子技術(shù)領(lǐng)域，知道量子計(jì)算機(jī)中產(chǎn)生或輸入的量子態(tài)將允許測(cè)試計(jì)算機(jī)本身，從而促進(jìn)量子技術(shù)的發(fā)展。此外，量子計(jì)算中使用的量子態(tài)非常復(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(shí)體。

了解這種量子系統(tǒng)的波函數(shù)是一項(xiàng)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)方法(基于所謂的投影操作)，完整的斷層掃描需要大量的測(cè)量，這些測(cè)量會(huì)隨著系統(tǒng)的復(fù)雜性(維度)增加而迅速增加。研究小組先前用這種方法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明，表征或測(cè)量?jī)蓚€(gè)糾纏光子的高維量子態(tài)可能需要幾個(gè)小時(shí)甚至幾天。此外，所得結(jié)果的質(zhì)量對(duì)噪聲高度敏感，并取決于實(shí)驗(yàn)裝置的復(fù)雜程度。

量子層析成像的投影測(cè)量方法可以被認(rèn)為是從獨(dú)立的方向觀察投射在不同墻壁上的高維物體的陰影。研究者所能看到的只是陰影，他們可以從中推斷出整個(gè)物體的形狀(或狀態(tài))。例如，在CT掃描(計(jì)算機(jī)斷層掃描)中，可以從一組2D圖像中重建3D對(duì)象的信息。

然而，在經(jīng)典光學(xué)中，還有另一種重建3D物體的方法。這就是所謂的數(shù)字全息技術(shù)，它是基于記錄一個(gè)單一的圖像，稱為干涉圖，通過用參考光干涉物體的散射光來獲得。

獲得最新發(fā)現(xiàn)的研究團(tuán)隊(duì)由加拿大結(jié)構(gòu)量子波研究主席、渥太華量子技術(shù)（NexQT）研究所聯(lián)合主任、理學(xué)院副教授易卜拉欣·卡里米(Ibrahim Karimi)領(lǐng)導(dǎo)，他們將上述概念擴(kuò)展到兩個(gè)光子的情況下。重建雙光子態(tài)需要將其與已知的量子態(tài)疊加，然后分析兩個(gè)光子同時(shí)到達(dá)的位置的空間分布。

參加研究的幾位人員，從左到右分別為阿萊西奧·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(duì)兩個(gè)光子同時(shí)到達(dá)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(xué)指出，光子的來源是無法確定的，這就產(chǎn)生了可以用來重建未知波函數(shù)的干涉圖像。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是由一種先進(jìn)的相機(jī)實(shí)現(xiàn)的，該相機(jī)在每個(gè)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(xué)博士后、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(qiáng)調(diào)了這種創(chuàng)新方法的巨大優(yōu)勢(shì)。他說：“這種方法比以前的技術(shù)快得多，只需幾分鐘或幾秒鐘即可，而不是幾天。重要的是，檢測(cè)時(shí)間不受系統(tǒng)復(fù)雜性的影響，這解決了投影斷層成像中長期存在的可擴(kuò)展性挑戰(zhàn)?！?/span>

這項(xiàng)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，例如改進(jìn)量子態(tài)表征、量子通信和開發(fā)新的量子成像技術(shù)等。

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