光子的量子纠缠实现快速可视化

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科技日报记者 刘霞

加拿大渥太华大学与意大利罗马第一大学的科学家展示了一种新技术，可实时可视化两个纠缠光子（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。相关研究刊发于最新一期《自然·光子学》杂志。

实验图图片来源：《自然·光子学》杂志

波函数是量子力学的核心原理，使量子科学家能预测对量子实体的各种测量（如位置和速度等）的可能结果。这种预测能力非常有用，了解量子计算机中产生或输入的量子态使科学家可以测试计算机本身，也有望促进量子技术的发展。

了解量子系统波函数的方法，也被称为量子态断层扫描，是一项极具挑战性的任务。使用基于投影运算的标准方法，完整的断层扫描需要进行大量测量，而这些测量会随着系统复杂性（维度）的增加而迅速增加。此前研究表明，利用传统方法表征或测量两个纠缠光子的高维量子态需要数小时甚至数天。此外，实验结果对噪声高度敏感，并与实验装置的复杂性息息相关。

最新研究将经典光学领域的数字全息术扩展到两个光子的情况。研究人员让两个光子与一个量子态叠加，然后分析两个光子同时到达位置的空间分布。对两个光子的同时到达成像被称为重合图像，这使他们获得了用于重建未知波函数的干涉图案。研究团队通过一台可在每个像素上以纳秒分辨率记录事件的相机实现了这一点。

团队指出，最新方法只需几分钟甚至几秒钟的检测时间，而非几天。重要的是，检测时间不受系统复杂性的影响，解决了传统投影断层扫描长期面临的可扩展性问题。

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