Nat. Photonics：實時捕獲了光子的量子糾纏！

渥太華大學的研究人員與羅馬大學的Danilo Zia和Fabio Sciarrino合作，展示了一種新技術，可以實時可視化兩個糾纏光子（構成光的基本粒子）的波函數。

研究成果以“Interferometric imaging of amplitude and phase of spatial biphoton states”爲題，發表在《自然·光子學》（Nature Photonics）上。

用一雙鞋作比喻，糾纏的概念可以比作隨機選擇一隻鞋。當你辨認出一隻鞋子的那一刻，另一隻鞋子的性質（是左鞋還是右鞋）就會立刻被分辨出來，而不管它在宇宙中的位置如何。然而，耐人尋味的是，在觀察的確切時刻之前，與識別過程相關的固有不確定性。

波函數是量子力學的核心原理，它提供了對粒子量子態的全面理解。例如，在鞋子的例子中，鞋子的“波函數”可以攜帶左右、大小、顏色等信息。

更準確地說，波函數使量子科學家能夠預測對量子實體進行各種測量的可能結果，如位置、速度等。

這種預測能力非常寶貴，尤其是在飛速發展的量子技術領域，瞭解量子計算機產生或輸入的量子態，就可以測試計算機本身。此外，量子計算中使用的量子態極其複雜，涉及許多可能表現出強非局域性（糾纏）的實體。

瞭解這樣一個量子系統的波函數是一項極具挑戰性的任務——這也被稱爲量子態層析或簡稱量子層析。採用標準方法（基於所謂的射影變換projective operations）進行全面層析需要大量測量，而測量次數會隨着系統複雜度（維度）的增加而迅速增加。

此次，這個研究小組以前用這種方法進行的實驗表明，表徵或測量兩個糾纏光子的高維量子態可能需要幾個小時甚至幾天的時間。並且，結果的質量對噪聲非常敏感，這些結果的質量還取決於實驗裝置的複雜程度。

量子層析成像的射影測量方法可以理解爲觀察從獨立方向投射到不同牆壁上的高維物體的影子。研究人員所能看到的就是這些陰影，而從這些陰影中，他們可以推斷出整個物體的形狀（狀態）。例如，在 CT 掃描（計算機斷層掃描）中，可以從一組二維圖像中重建三維物體的信息。

不過，在經典光學中，還有另一種重建三維物體的方法。這種方法被稱爲數字全息術(digital holography)，其基礎是記錄單幅圖像——即干涉圖(interferogram)，通過將物體散射的光與參考光進行干涉而獲得。

由加拿大結構量子波研究主席、渥太華量子技術聯合研究所（NexQT）聯合主任、理學院副教授Ebrahim Karimi領導的研究小組將這一概念擴展到了雙光子的情況。

重構雙光子態需要將其與假定的、衆所周知的量子態疊加，然後分析兩個光子同時到達的位置的空間分佈。對同時到達的兩個光子進行成像被稱爲幽靈成像(coincidence image)。這些光子可能來自參考源，也可能來自未知源。量子力學指出，光子的來源無法確定。

這就產生了一種干涉模式，可用於重建未知波函數。先進的照相機能以納秒級的分辨率記錄每個像素上的事件，使這項實驗成爲可能。

圖像重建。a）參考 SPDC 狀態與由泵浦光束獲得的狀態之間的干涉重合圖像，其形狀爲陰陽符號（如插圖所示）。插圖中的比例與主圖中的比例相同。b）在未知泵浦上印刻的圖像的重建振幅和相位結構。

論文共同作者之一、渥太華大學博士後 Alessio D'Errico 博士強調了這種創新方法的巨大優勢：“這種方法比以前的技術快了數倍，只需要幾分鐘或幾秒鐘，而不是幾天。重要的是，檢測時間不受系統複雜性的影響——這就解決了投影斷層成像中長期存在的可擴展性難題。”

這項研究的影響不僅限於學術界。它有可能加速量子技術的進步，如改進量子態表徵、量子通信和開發新的量子成像技術。

[1]https://phys.org/news/2023-08-visualizing-mysterious-quantum-entanglement-photons.html

[2]https://www.nature.com/articles/s41566-023-01272-3