首次！光子的量子纠缠实现快速可视化！

从高维量子通信到量子成像，高维双光子态是量子应用的重要资源。一个关键的任务是充分表征这些状态，当采用投影测量方法时，这通常是耗时且不可扩展的，然而，符合成像技术的新进展允许通过并行多个测量来克服这些限制。
鉴于此，近期由加拿大渥太华大学与意大利罗马第一大学的科学家展示了一种新技术，可实时可视化两个纠缠光子（构成光的基本粒子）的波函数。这一成果有望加速量子技术的进步，改进量子态表征、量子通信并开发新的量子成像技术。相关研究刊发于最新一期《自然·光子学》杂志。
图文概述
主要研究了双光子数字全息术，类似于离轴数字全息术，其中未知状态与参考状态叠加的重合成像用于执行量子态断层扫描。当泵浦光子具有各种量子态时，将这种方法应用于非线性晶体中自发参数下转换发射的单个光子，允许在任意空间模式基数下对状态进行更有效（快三个数量级）和可靠（平均保真度为87%）的表征，多光子数字全息术可能为高效准确的计算重影成像和高维量子信息处理铺平道路。以一双鞋为例，量子纠缠的概念可以比作随机选择一只鞋。在你认出一只鞋的那一刻，另一只鞋的性质（无论是左脚还是右脚）就立刻会被认出来，而不管它在宇宙中的任何位置。然而，问题在于识别过程存在固有的不确定性，直到可以实时地、确切地观察到这个时刻。波函数是量子力学的核心原则，它提供了对粒子量子态的全面理解。例如，在鞋的例子中，鞋的“波函数”可以携带诸如左或右、尺寸大小以及颜色等信息。更准确地说，波函数使量子科学家能够预测对量子实体进行各种测量的可能结果，例如位置、速度等。
双光子状态全息重建。图像重建。a：自发参属下转换（SPDC）与由阴阳符号形状的泵浦光束获得的状态之间干涉的重合图像。插图比例与主图相同。b：重构印在泵上的图像的振幅和相位结构。
这种预测能力非常有用，特别是在快速发展的量子技术领域，知道量子计算机中产生或输入的量子态将允许测试计算机本身，从而促进量子技术的发展。此外，量子计算中使用的量子态非常复杂，涉及许多可能表现出强烈的非局部相关性(纠缠)的实体。
了解这种量子系统的波函数是一项具有挑战性的任务，这也被称为量子态断层扫描或量子断层扫描。使用标准方法(基于所谓的投影操作)，完整的断层扫描需要大量的测量，这些测量会随着系统的复杂性(维度)增加而迅速增加。研究小组先前用这种方法进行的实验表明，表征或测量两个纠缠光子的高维量子态可能需要几个小时甚至几天。此外，所得结果的质量对噪声高度敏感，并取决于实验装置的复杂程度。
量子层析成像的投影测量方法可以被认为是从独立的方向观察投射在不同墙壁上的高维物体的阴影。研究者所能看到的只是阴影，他们可以从中推断出整个物体的形状(或状态)。例如，在CT扫描(计算机断层扫描)中，可以从一组2D图像中重建3D对象的信息。
双光子态全息重建然而，在经典光学中，还有另一种重建3D物体的方法。这就是所谓的数字全息技术，它是基于记录一个单一的图像，称为干涉图，通过用参考光干涉物体的散射光来获得。获得最新发现的研究团队由加拿大结构量子波研究主席、渥太华量子技术（NexQT）研究所联合主任、理学院副教授易卜拉欣·卡里米(Ibrahim Karimi)领导，他们将上述概念扩展到两个光子的情况下。重建双光子态需要将其与已知的量子态叠加，然后分析两个光子同时到达的位置的空间分布。
实验设置与状态重建
对两个光子同时到达的成像称为重合成像。这些光子可能来自参考源，也可能来自未知源。量子力学指出，光子的来源是无法确定的，这就产生了可以用来重建未知波函数的干涉图像。这项实验是由一种先进的相机实现的，该相机在每个像素上以纳秒(百万分之一秒)的分辨率记录事件。这一关键发现得益于一台具有纳秒精度的尖端摄像机。这台摄像机捕捉了光子同步到达的情况，揭示了一个复杂的干涉图案。这个图案类似于一个令人着迷的编舞，揭示了重建难以捉摸的波函数的关键。这项研究的影响不仅仅局限于学术界，它还具有加速量子技术进步的潜力，例如改进量子态表征、量子通信和开发新的量子成像技术等。渥太华大学的博士后之一，也是本论文的合著者，阿莱西奥·德埃里科（Alessio D'Errico）博士，强调了这项创新方法的巨大优势。他指出，相较于过去的技术，这种方法的速度快了许多，仅需几分钟甚至几秒钟，而不是几天的时间。最重要的是，检测时间不受系统复杂性的影响，从而解决了投影断层成像长期以来存在的可扩展性挑战。
参考文献
Danilo Zia et al, Interferometric imaging of amplitude and phase of spatial biphoton states, Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01272-3
Journal information: Nature Photonics 
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