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爱因斯坦称为“鬼魅般有时,量子纠缠的超距作用”

发布时间: 2019-10-25 17:53:57来源:

它支撑了整个量子力学领域。爱因斯坦曾将这一现象称为“鬼魅般有时,两个相互作用的粒子——比如两个通过分束器的光子,无论被分隔到多么遥远,它们都可以保持联系,并瞬间共享它们的物理状态。这种神秘的联系被称为量子纠缠的超距作用”。

爱因斯坦之所以称之为“鬼魅”,是因为两个相距甚远的纠缠粒子之间的相互作用所表现出的瞬时性,似乎与他的狭义相对论并不兼容。后来,约翰·贝尔(John Bell)正式提出了这种非局域相互作用的概念,描述了一种能展现这种鬼魅效应的强纠缠形式——被称为贝尔纠缠。一直以来,虽然贝尔纠缠在量子计算和密码学等许多实际应用中都得到了应用,但我们从来没有捕获它的图像。

一篇于7月12日发表在《科学进展》上的论文中,格拉斯哥大学的一组物理学家描述了他们如何让这种“鬼魅现象”首次出现在图像中,这是第一次捕捉到量子纠缠的视觉证据。

实验涉及到在4种不同的相变下捕捉光子的图像,图中所呈现的实际上是光子经过了一系列的4个相变时所产生的多重图像的结合。

他们设计了一个系统(实验系统的设置如下图所示),一个波长为355纳米的准连续通过了一个BBO(偏硼酸钡晶体),从而通过自发参量下转换(SPDC)过程产生了在空间上纠缠的光子对。这两个波长为710纳米的光子在一个分束器(BS)上分离,并沿着系统中的两条不同的光路传播。

实验人员设置了一个超灵敏的照相机,能够检测到单个光子,只有当同时捕捉到一个光子和与它纠缠的另一个粒子时,照相机才会拍下照片,从而记录下了一个可见的光子纠缠记录。| 图片来源:Moreau et al., Science Advances, 2019

第一个光子被放置于晶体的成像面上的空间光调制器(SLM)反射,并在被一个单模收集之前,显示出一个相位物体,然后在被光纤收集之后,再被一个单光子雪崩(S)探测到。另一个光子沿着另一条光路传播,它被一个放置在晶体的傅里叶平面(相当于物体的傅里叶平面)的SLM反射。然后,这个光子会通过一个长约20米的延迟线(Delay line)传播,最终被一个增强型电荷检测器(ICCD)相机检测到。

ICCD相机会根据放置在第一条光路上的SPAD探测到光子的情况而被有条件地触发的。而延迟线则确保了从ICCD相机所捕获的图像与SPAD检测到的图像是同步的。第二条光路中延迟线的存在弥补了相机的触发延迟,并确保了第二个光子入射到相机上的时间的精确度,从而记录下了一个可见的光子纠缠记录。

物理学家Paul-Antoine Moreau是这篇论文的第一作者,他说:“我们成功捕捉到的这张照片,优雅地展示了自然的一个基本属性,这是这个属性第一次以图像的形式出现……这是一个令人兴奋的结果,它将可以用于革新量子计算的新兴领域,带来新型的成像方法。”


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