图：双光子状态全息重建。图像重建。a、 参考SPDC状态与通过具有阴阳符号形状的泵浦光束获得的状态之间的干涉的重合图像（如插图所示）。插图比例与主图中的比例相同。b、 重构了图像的振幅和相位结构。来源：Nature Photonics（2023）。DOI:10.1038/s41566-023-01272-3

      Ottawa大学的研究人员与罗Sapienza大学的Danilo Zia和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。

      以一双鞋为例，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(无论是左鞋还是右鞋)就立刻被认出来了，而不管它在宇宙中的位置。然而，有趣的是这种固有的不确定性与识别过程，直到确切的时刻观察。

      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，在鞋的例子中，鞋的“波函数”可以携带诸如左或右、大小、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。

      这种预测能力是无价的，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。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)而迅速增加。

      研究小组先前用这种方法进行的实验表明，表征或测量两个纠缠光子的高维量子态可能需要数小时甚至数天。此外，结果的质量对噪声高度敏感，并取决于实验装置的复杂性。

      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。研究者所能看到的只是阴影，从阴影中，他们可以推断出整个物体的形状(状态)。例如，在CT扫描(计算机断层扫描)中，可以从一组2D图像中重建3D对象的信息。

      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，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散射的光来获得。

      该团队由yebrahim Karimi领导，将这一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。对两个光子同时到达的成像称为巧合成像。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样。这个实验是由一种先进的相机实现的，它可以在每个像素上以纳秒的分辨率记录事件。

      Alessio D'Errico博士是渥太华大学的博士后，也是这篇论文的共同作者之一，他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，只需要几分钟或几秒钟，而不是几天。重要的是，检测时间不受系统复杂性的影响，这解决了投影断层扫描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。

      该研究“空间双光子态振幅和相位的干涉成像”发表在Nature Photonics上。

1. Danilo Zia et al, Interferometric imaging of amplitude and phase of spatial biphoton states, Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01272-3

来源： University of Ottawa