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一个由量子纠缠带来的飞跃性突破


时间:2021-03-03

应用领域:机器视觉


  曾几何时,全息图还只是存在于科幻小说中的奇思妙想,但随着的快速发展,这种技术已逐渐成为世人瞩目的焦点,它不再只出现在科幻作品中,而是存在于生活中的许多方面。现在,全息技术已成了数据存储、生物显微镜、医学成像和医学诊断等应用的重要工具。例如在一种被称为全息显微术的技术中,科学家会利用全息图来破译组织和活细胞中的生物机制。

  这种神奇的光学技术是由匈牙利裔英国物理学家Dennis Gabor于20世纪50年代初提出的,而Gabor也因此发明获得了1971年的诺贝尔物理学奖。

  在经典的全息术中,这项技术涉及到将一束激光分成两条路径来描绘三维物体的二维绘图。其中一条路径的光束被称为物光束,这束光用照相机或特殊的全息胶片收集到反射的光,来形成全息术中的像;第二条路径的光束被称为参考光束,它从一面镜子上直接反弹到收集面上。

  对于经典的全息术来说,两道光束之间的干涉是关键所在,而干涉通常要求光是“相干的”,即它们必须在何时何地都拥有相同的频率。换句话说,光学相干性对任何全息过程都至关重要。作为一种高度相干的光,激光被用在大多数全息系统中。然而,这种方法虽然在光的方向、颜色和偏振方面可以有着非常好的表现,但也有着显而易见的局限性,比如可能会受到其他光源的干扰,且对外部物理环境的不稳定性非常敏感。

  现在,格拉斯哥大学的一个物理学家团队找到了一种绕过这些传统局限来创造全息图的方法,为全息术带来了飞跃性的突破。他们将新的方法发表在了近期的《自然-物理》杂志上。

  在传统全息术中,我们认为光首先必须干涉才能产生全息图;其次,光必须相干才能干涉。而在新的研究中,物理学家正是认为第二点“并不完全正确”才得以做出了突破。在新的方法中,他们同样用到了一束被分成两条路径的激光,但与之前不同的是,这两道光束永远不会重新聚合,他们利用的是一种被爱因斯坦称为“鬼魅般的超距作用”的奇异特性——量子纠缠

  纠缠的光子是由量子源以成对的粒子流的形式发射出来的光子,具有纠缠特性的光子在本质上是“连接”在一起的,即便它们可能分别位于空间中的两个相距甚远的位置。如此一来,两个纠缠的光子可以表现得像一个单一的物体那样,对其中的任何一个进行的测量,都会影响到整个系统。

  在新研究中,物理学家在实验室中使用了一束蓝色激光,他们将这束激光照射在一个特殊的非线性晶体上,激光通过晶体后会分裂成两列光束,且在这个过程中产生纠缠光子。纠缠的光子不仅在运动方向上纠缠,而且在偏振上也是纠缠的。

  每一对纠缠光子会被分开送往两个不同的方向,一个光子被发送到一个物体上,例如一个有着生物样本的显微镜载玻片上,当它与物体发生撞击时,光子就会稍微偏离一点或放慢一点,它相当于传统全息术中的物光束。

  与此同时,与它纠缠的光子会击中一个空间光调制器,这个空间光调制器能使通过它的光的速度稍微减慢。一旦这个光子通过了调制器,它就与和它成对的纠缠光子有了不同的相位。这个相当于传统全息术中的参考光束。

  在纠缠光子对穿过了各自的目标后,它们不会相互重叠。光子的波的性质使它们不仅能在被击中的位置探测到物体的厚度,同时能测量整个物体的厚度。如此一来,样品的厚度、三维结构等信息,就会被“印”在光子上。而由于光子是纠缠的,因此印在一个光子上的印记可以同时被两个光子共享。然后,干涉现象就可以在远距离发生,整个过程不需要涉及光束的叠加。这时,通过使用独立的照相机来测量两个纠缠光子的位置相关性,就能最终得到一个全息图。

  在实验中,研究人员重建出了一些真实物体(如透明胶带、显微镜载玻片上的硅油滴、羽毛)的全息图像,以及一个在液晶显示器上创造出的“UofG”字样的全息图像。

  新的量子全息方法的最令人惊叹的地方在于,即使是相距甚远的、从未发生过相互作用的光子,也可以因为量子纠缠的存在而产生干涉现象。它具有十分实际的应用优势,比如它能提供更好的稳定性,因为量子纠缠是一种固有特性,这种特性对外部环境的干扰不那么敏感。

  这样的突破性发现或许能改善医学成像、加速量子信息科学的发展。利用新的全息术,科学家或许可以制造出比现有显微镜技术质量更好的生物图像,从而有望被用来解开以前从未被观察到的细胞内的生物结构和机制。