加拿大渥太華大學(xué)與意大利羅馬第一大學(xué)的科學(xué)家展示了一種新技術(shù)，可實(shí)時(shí)可視化兩個(gè)糾纏光子(構(gòu)成光的基本粒子)的波函數(shù)。這一成果有望加速量子技術(shù)的進(jìn)步，改進(jìn)量子態(tài)表征、量子通信并開發(fā)新的量子成像技術(shù)。相關(guān)研究刊發(fā)于最新一期《自然·光子學(xué)》雜志。

波函數(shù)是量子力學(xué)的核心原理，使量子科學(xué)家能預(yù)測對(duì)量子實(shí)體的各種測量(如位置和速度等)的可能結(jié)果。這種預(yù)測能力非常有用，了解量子計(jì)算機(jī)中產(chǎn)生或輸入的量子態(tài)使科學(xué)家可以測試計(jì)算機(jī)本身，也有望促進(jìn)量子技術(shù)的發(fā)展。

了解量子系統(tǒng)波函數(shù)的方法，也被稱為量子態(tài)斷層掃描，是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。使用基于投影運(yùn)算的標(biāo)準(zhǔn)方法，完整的斷層掃描需要進(jìn)行大量測量，而這些測量會(huì)隨著系統(tǒng)復(fù)雜性(維度)的增加而迅速增加。此前研究表明，利用傳統(tǒng)方法表征或測量兩個(gè)糾纏光子的高維量子態(tài)需要數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天。

此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)噪聲高度敏感，并與實(shí)驗(yàn)裝置的復(fù)雜性息息相關(guān)。

最新研究將經(jīng)典光學(xué)領(lǐng)域的數(shù)字全息術(shù)擴(kuò)展到兩個(gè)光子的情況。研究人員讓兩個(gè)光子與一個(gè)量子態(tài)疊加，然后分析兩個(gè)光子同時(shí)到達(dá)位置的空間分布。對(duì)兩個(gè)光子的同時(shí)到達(dá)成像被稱為重合圖像，這使他們獲得了用于重建未知波函數(shù)的干涉圖案。研究團(tuán)隊(duì)通過一臺(tái)可在每個(gè)像素上以納秒分辨率記錄事件的相機(jī)實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。

團(tuán)隊(duì)指出，最新方法只需幾分鐘甚至幾秒鐘的檢測時(shí)間，而非幾天。重要的是，檢測時(shí)間不受系統(tǒng)復(fù)雜性的影響，解決了傳統(tǒng)投影斷層掃描長期面臨的可擴(kuò)展性問題。

審核編輯 黃宇