西条琉璃40部作品封面 _英国团队拍到了“量子纠缠照片”:孪生光子组成的指环

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量子纠缠在爱因斯坦的口中是一种“鬼魅般的远距离作用”,两个粒子无论相隔多远,都存在关联感应,一个变化另一个也变化。

有些人用这样的比喻来帮助理解量子纠缠:如果你从上海到北京出差,打包时遗漏了一只手套。你到北京取出了一只左手手套,瞬间就可以确认遗漏在上海的那一只手套一定是右手的。

近日,英国格拉斯哥大学团队在《科学?进展》上发表研究指出,他们利用直观的图像信息证明了量子纠缠的存在。这样的思路并非首次实现,只是,格拉斯哥大学团队此次在不同的维度上进行了实验。

下面这张看起来神似太极图的黑白图像,并非像有些读者直观理解的那样是两路处于纠缠态的光子,而是其中一路光子的分布图像。在另一路纠缠光子的远程影响下,图像呈现为一分为二的指环状,表明两路光子的状态改变是一致的。

英国团队拍到了“量子纠缠照片”:孪生光子组成的指环

黑色中间线的角度体现了光子的相位信息。实验共拍摄到了四幅这样的图像,角度各不相同,体现的是4种不同的相位。

英国团队拍到了“量子纠缠照片”:孪生光子组成的指环

量子纠缠

量子是物理学中不可再分的基本单元,由德国物理学家普朗克在1900年首次提出。比如,光子就是量子性的,不存在“半个光子”的说法。

科学家们在量子这个维度的世界上,发现了许多奇妙的现象,经典物理学在这个世界轰然崩塌。其中,叠加态就是一种奇妙的表现,一个光子可以同时处于两个相位的叠加,就像薛定谔那只著名的“既生又死”的猫。而一旦对该光子的状态进行测量,它就会随机坍缩到其中一种状态。

爱因斯坦反感这种“上帝掷骰子”一般的解释,他和波多尔斯基、罗森一起提出了量子纠缠的概念。根据量子力学理论,两个甚至多个粒子可以一起处于叠加态,这种情况下每一个粒子的状态就不是独立的了,都依赖别的粒子的状态,会出现本文开头所述的“你变我也变”的现象。

然而,同样是根据量子力学理论,这些粒子的叠加态和它们之间的距离没有关系,无论多远都是瞬间改变。但是,狭义相对论是不允许瞬时传递信息的。

爱因斯坦以为用这种方法就能证明量子力学是不完备的。他觉得,一定有一种未知的“隐变量”起到了作用,给光子们通风报信,帮助它们“作弊”。

然而,爱因斯坦这一次错了。后世的科学家们不断进行更长距离的量子纠缠实验,来证明鬼魅般的远距离作用真的存在。一些研究团队甚至利用几百万光年外的星星来做实验室,如果光子们真的有“作弊”的方法,就得穿越到几百万年前串通好。

孪生光子

英国团队拍到了“量子纠缠照片”:孪生光子组成的指环

这次英国格拉斯哥大学团队试图巧妙地利用鬼魅般的远距离作用,形成两路光子间鬼魅般的远距离干涉,用照相机直观地拍下它们“心灵相通”的情形。

实验装置具体是这样设计的:一个紫外光子通过了偏硼酸钡(BBO)晶体后,变成了一对相互纠缠的红光光子。它们通过分束器后分道扬镳,沿着两条光路传播。

其中,光子A穿过空间光调制器1改变相位信息,经单模光纤收集后被单光子探测器探测到,触发另一路上的照相机。光子B则通过空间光调制器2后,进入一条延长线等待被拍摄。

该实验精妙的地方,在于光子A触发照相机拍摄时,与它相纠缠的光子B会刚刚好被照相机拍到。由于处在纠缠的状态,一个光子的相位改变也会使另一个光子发生相应变化。大量光子叠加得到的指环状图案表明,光子之间确实存在一致的相位变化。

主导该研究的莫罗(Paul-Antoine Moreau)表示:“我们捕捉的图像是对自然界基本属性的一种优雅展现,且是首次以图像的方式呈现。”

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