自2019年人类第一次看见量子纠缠的影像以来，科学家一直想要看得更清楚些。加拿大渥太华大学的研究人员与罗马萨皮恩扎大学的达尼洛·齐亚（Danilo Zia）和法比奥·夏里诺（Fabio Sciarrino）合作，最近展示了一种新技术，可以实时显示两个纠缠光子(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。
研究论文发表于8月14日号的《自然光子学（Nature Photonics）》上，研究人员展示了更加清晰的量子纠缠成像，并在研究论文中指出，其图像形状为太极阴阳构图。
论文中图片说明为：a、 量子纠缠重合图像（如插图所示）形似阴阳太极图。插图比例与主图中的比例相同。b、 重构了投射在未知泵上的图像的振幅和相位结构。
量子纠缠理论
1935年，在普林斯顿高等研究院，阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）与鲍里斯·波多尔斯基（Boris Podolsky）、纳森·罗森（Nathan Rosen）共同提出了EPR悖论。这个悖论显示，在量子力学中，两个相互作用的粒子，无论相隔多远（理论上这个距离可以比银河系直径还大），其量子状态仍能“纠缠”在一起，共享同一个整体的物理状态。这种超距的量子关联被称为量子纠缠，也被爱因斯坦称为“幽灵般的超距作用”。
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目前，科学界普遍接受了量子力学的正统解释，也接受了量子纠缠的存在性。不过在很长一段时间里，人们始终没有真正看到量子纠缠的图像。
量子纠缠成像
如果要给量子纠缠拍照，首先要建立一个量子纠缠的系统，否则巧妇难为无米之炊。
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，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。
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。
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。
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。
在2019年发表于《科学·进展》的研究中，英国格拉斯哥大学的物理学家保罗-安托万·莫罗（Paul-Antoine Moreau）带领团队首次拍摄到量子纠缠的照片。终于，人类第一次亲眼看见这种“幽灵般的超距作用”。
左为量子纠缠首次成像，右为黑洞第一次成像。
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。
这次研究人员就是通过干涉方式，找到一种重建相关双光子态空间结构的新方法。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。“我们在重建时间上实现了三个数量级的增强，对双光子态具有高保真度，获得了等于87%的平均保真度。”
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。
渥太华大学博士后、这篇论文的共同作者之一阿莱西奥·德埃里科(Alessio D 'Errico)博士，强调了这种创新方法的巨大优势。“这种方法比以前的技术快得多，只需几分钟或几秒钟即可，而不是几天。重要的是，检测时间不受系统复杂性的影响，这解决了投影断层成像中长期存在的可扩展性挑战。”
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。
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