量子太极：物理学家用新技术揭示纠缠光子的神秘图像

昨天，量子太极上热搜了。原因是物理学家使用一种新技术来实时可视化两个纠缠的光子，显示出的图像就像我国的太极阴阳鱼。网友说：科学的尽头是玄学。

事实上，这种技术叫做双光子数字全息术，它可以用来测量由自发参量下转换产生的高维双光子态的空间分布。这些双光子态具有丰富的量子特性，可以用于高维量子通信、量子成像等应用。双光子数字全息术利用了干涉成像技术，通过将一个未知的双光子态与一个参考态进行叠加，然后在两个探测器上记录相干计数，从而重构出未知态的振幅和相位信息。这种方法比传统的投影测量方法更高效、更可靠，也更适合处理任意空间模式基底的双光子态。

双光子态是一种由两个单光子组成的量子态，它们之间存在着一种特殊的关联，称为纠缠。纠缠是一种非经典的现象，它意味着两个单光子的性质不能单独地确定，而是相互依赖。例如，如果两个单光子是纠缠在偏振上，那么当我们测量其中一个单光子的偏振时，我们就立即知道了另一个单光子的偏振，即使它们相隔很远。这就好像两个单光子之间有一种神秘的通信，爱因斯坦称之为“鬼魅般的超距作用”。

纠缠不仅可以存在于偏振上，还可以存在于其他自由度上，比如时间、频率、轨道角动量等。在本文中，我们关注的是空间自由度，也就是说，我们关注的是两个单光子在空间上的位置和方向。空间自由度是一个无限维的希尔伯特空间，因此我们可以在其中编码大量的信息。例如，我们可以用轨道角动量来表示一个单光子沿着传播方向旋转的程度，或者用拉盖尔-高斯模式来表示一个单光子在横向平面上呈现出不同形状的波前。

那么如何产生具有空间纠缠的双光子态呢？一种常见的方法是利用非线性晶体中的自发参量下转换过程。在这个过程中，一个高能量（通常是紫外或蓝色）的泵浦光子被分裂成两个低能量（通常是红色或近红外）的信号和闲置光子。由于能量和动量守恒，在泵浦光子被分裂时，信号和闲置光子必须共享泵浦光子的能量和动量。因此，信号和闲置光子之间就产生了一种纠缠关系。如果我们调节泵浦光束的形状和方向，我们就可以控制信号和闲置光子之间的空间纠缠程度。例如，如果我们用一个具有高斯形状的泵浦光束，我们就可以得到一个具有高斯形状的双光子态；如果我们用一个具有螺旋形状的泵浦光束，我们就可以得到一个具有螺旋形状的双光子态。