量子太极:物理学家用新技术揭示纠缠光子的神秘图像
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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。 |
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