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超光速的存在!人类史上首张量子纠缠照片诞生

2019.08.27

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20世纪30年代,德高望重的理论物理学家阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)重返量子力学领域,他的相对论成功帮助人类创立了量子力学。爱因斯坦希望发展出一个关于粒子如何运动的更完整的理论,但是量子纠缠的前景却让他感到恐惧,他把量子纠缠描述为“远距离的幽灵行为”。

量子纠缠,举例来说,当两个人横跨一个太阳系互相遥望时,其中一个人的状态发生变化,另一个人也会即时发生相应的状态变化。如此现象导致了鬼魅似的超距作用,仿佛两个人拥有超光速的秘密通信一般,这完全与狭义相对论中所谓的定域性原理相违背。

尽管爱因斯坦心存疑虑,但是神秘的量子纠缠仍然成为量子力学中被人们接受的一部分。现在,来自格拉斯哥大学的一组物理学家首次拍摄到了量子纠缠的图像,他们成功地捕捉到了这一现象的第一个视觉证据,这一现象我估计爱因斯坦本人看到也将感到困惑。

据悉,该研究人员随后在《科学进展》(Science Advances)杂志上的一篇论文描述了他们的发现,题为《成像钟型非局部行为》(Imaging Bell-type nonlocal behavior)。论文简单介绍量子纠缠描述了这样一种现象:两个相互作用的粒子可以保持连接,无论它们相距多远,都可以瞬间共享它们的物理状态。这种联系是量子力学的核心,尽管它违反了局部实在论的概念和狭义相对论的许多元素。

在1964年,约翰·贝尔爵士通过形式化非局域相互作用的概念和描述一种强烈的纠缠形式,扩展了先前理论家的工作。这将被称为钟形纠缠,这个概念被用于多种科学应用——如量子计算和密码学。

然而,直到现在,它从来没有被捕捉到一个单一的图像。正如莫罗博士宣称:我们成功捕捉到的这张照片完美地展示了自然的基本属性,这是我们第一次以图像的形式看到它。这是一个令人兴奋的结果,可以用来推进量子计算的新兴领域,并用于新型成像。

为了他们的研究,研究小组设计了一个系统,在这个系统中,一束纠缠的照片从一个量子光源发出。然后,这条光流穿过一系列“非常规物体”,这些“非常规物体”采用的是液晶材料,它们可以在光子通过时改变光子的相位。该装置还包括一个超灵敏的摄像头,能够检测单个光子并捕捉它们的图像。然而,这台相机只有在同时捕捉到一个光子和它纠缠的孪生光子时才会拍照。在具备了这些前提条件后,实验有效地创建了一个可见的两个光子纠缠的记录。

这项研究的结果为利用钟形纠缠的量子成像技术打开了一扇全新的大门,它在量子信息领域即将成就一座新的里程碑!

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