震撼！有史以来第一张量子纠缠照片
英国格拉斯哥大学的物理学家通过一套复杂的相机系统，进行每秒 40000 帧的拍摄，整理后得到了首张量子纠缠的图片。该成果近日发表在《科学进展》上。
论文第一作者、格拉斯哥大学校物理与天文学院 Paul-Antoine Moreau 博士说：“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。”
量子是构成物体中最基本的粒子，电磁波、光都是由量子构成的，比如光子、电子等都是典型量子。量子纠缠是量子力学领域的基本现象和主要支柱。爱因斯坦曾称其为“幽灵般的超距作用”。
在量子力学领域里，两个相互作用的粒子会以一种极其特殊方式“纠缠”在一起，形成一种纠缠系统，在这个系统里，无论相隔多远，两个粒子都会“瞬间”共享它们的物理状态。
例如，你观测一对处于纠缠态的粒子，当其中一个粒子自旋向上运动时，就能知道另一个粒子是自旋向下运动的；并且当一个粒子的属性改变时，另一个粒子会立即变成相反的属性。这样就能通过量子纠缠传递信息了，而且是即时性的传递。
这张特殊的照片看起来可能平平无奇，就是两团模糊的灰色块，但其显示了两个光子之间的纠缠。
在最新研究中，格拉斯哥大学团队设计了一套系统，该系统朝着在液晶材料上显示的“非传统物质”发射了源于一个量子光源的一束纠缠光子，这些液晶材料会在光子通过时改变光子的相位。
他们使用了一台超灵敏的相机，能够检测单个光子。在检测到纠缠的“孪生光子”同时出现时，相机拍摄了图像，首次为光子纠缠留下了珍贵的影像，得到的图像始终显示两个光子似乎相互反射并形成了一个指环形状。
论文地址：
https://advances.sciencemag.org/content/5/7/eaaw2563
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 = {0° , 45° , 90° , 135° }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 ={0°、45°、90°、135°}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= {0°，45°，90°，135° }
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。
此前，量子纠缠已实际应用于量子计算和密码学等领域，但它从未被用图像捕获过，此次研究的成果将推动量子计算新兴领域的发展。
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