光子的量子糾纏實現快速可視化

科技日報北京8月22日電 (記者劉霞)加拿大渥太華大學與意大利羅馬第一大學的科學家展示了一種新技術，可實時可視化兩個糾纏光子(構成光的基本粒子)的波函數。這一成果有望加速量子技術的進步，改進量子態表征、量子通信并開發新的量子成像技術。相關研究刊發于最新一期《自然·光子學》雜志。

波函數是量子力學的核心原理，使量子科學家能預測對量子實體的各種測量(如位置和速度等)的可能結果。這種預測能力非常有用，了解量子計算機中產生或輸入的量子態使科學家可以測試計算機本身，也有望促進量子技術的發展。

了解量子系統波函數的方法，也被稱為量子態斷層掃描，是一項極具挑戰性的任務。使用基于投影運算的標準方法，完整的斷層掃描需要進行大量測量，而這些測量會隨著系統復雜性(維度)的增加而迅速增加。此前研究表明，利用傳統方法表征或測量兩個糾纏光子的高維量子態需要數小時甚至數天。此外，實驗結果對噪聲高度敏感，并與實驗裝置的復雜性息息相關。

最新研究將經典光學領域的數字全息術擴展到兩個光子的情況。研究人員讓兩個光子與一個量子態疊加，然后分析兩個光子同時到達位置的空間分布。對兩個光子的同時到達成像被稱為重合圖像，這使他們獲得了用于重建未知波函數的干涉圖案。研究團隊通過一臺可在每個像素上以納秒分辨率記錄事件的相機實現了這一點。

團隊指出，最新方法只需幾分鐘甚至幾秒鐘的檢測時間，而非幾天。重要的是，檢測時間不受系統復雜性的影響，解決了傳統投影斷層掃描長期面臨的可擴展性問題。

關鍵詞： 糾纏光子 量子態 量子糾纏 波函數 量子通信 實時可視化 量子系統 量子計算機 斷層掃描 科學家