黑洞和量子糾纏的照片哪個(gè)更酷？

前一陣子首張黑洞照片的問世轟動(dòng)全球，而近日，科學(xué)家首次拍到“量子糾纏”的照片再次引爆互聯(lián)網(wǎng)！愛因斯坦不愿承認(rèn)的“幽靈“終于有了鐵證，這對(duì)量子計(jì)算和成像技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。黑洞和量子糾纏的照片哪個(gè)更酷？

還記得前段時(shí)間發(fā)布的第一張黑洞照片嗎？可謂是瞬間引爆全網(wǎng)。

而近日，又一張轟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的照片誕生，它就是有史以來第一張量子糾纏的照片。

左：量子糾纏照片；右：黑洞照片

(弱弱的說一句：量子糾纏的照片和新智元的logo還真有幾分相似。)

早在1935年，愛因斯坦、Boris Podolsky和Nathan Rosen合著的論文“量子力學(xué)對(duì)物理現(xiàn)實(shí)的描述能被認(rèn)為是完整的嗎？”中就提出了“EPR悖論”，其中就涉及到量子糾纏。

愛因斯坦等人論文：https://journals.aps.org/pr/pdf/10.1103/PhysRev.47.777

所謂“量子糾纏”，是指在量子力學(xué)領(lǐng)域，兩個(gè)相互作用的粒子（例如通過分束器的兩個(gè)光子）無論它們相隔多遠(yuǎn)，仍能以一種非常奇妙的方式“糾纏”在一起，瞬間共享它們的物理狀態(tài)。

這種聯(lián)系被稱為量子糾纏，它是量子力學(xué)領(lǐng)域的基本現(xiàn)象和主要支柱之一，愛因斯坦認(rèn)為這是不可能的，曾將其稱為“幽靈般的超距作用”。

量子糾纏被用于量子計(jì)算和密碼學(xué)等實(shí)際應(yīng)用中，但這么多年來，還沒有人能夠成功地捕獲它的圖像。

直到最近，英國格拉斯哥大學(xué)的物理學(xué)家Paul-Antoine Moreau帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)拍攝到了這一現(xiàn)象，并發(fā)表論文描述他們是如何捕獲量子糾纏的。

論文地址：

https://advances.sciencemag.org/content/5/7/eaaw2563

人類首次拍到的量子糾纏圖像

4幅圖像中的貝爾不等式不成立(Bell inequality violation)

在實(shí)驗(yàn)的第一個(gè)實(shí)現(xiàn)中，我們獲得了4個(gè)獨(dú)立的量子糾纏圖像，對(duì)應(yīng)于 θ2 = {0° , 45° , 90° , 135° }的四個(gè)方向。將ICCD相機(jī)獲得的閾值幀直接相加得到的圖像如下圖所示：

圖2A：全幀圖像記錄了貝爾不等式不成立的四幅圖像

可以在每個(gè)圖像中沿著相位圓對(duì)象的邊緣定義一個(gè)環(huán)形感興趣區(qū)域(ROI)，如下圖B-E所示。

圖2(B-E)

單幅圖像中的貝爾不等式不成立

在實(shí)驗(yàn)的第二個(gè)實(shí)現(xiàn)中，我們演示了在單個(gè)累積圖像中貝爾不等式不成立的情況，以演示量子成像到達(dá)高維并行測(cè)量的能力。

圖3A: 全幀圖像記錄了貝爾不等式不成立的單幅圖像

研究人員對(duì)每個(gè)濾波器以不同的方式偏離arm 2中的光束，從而獲得相機(jī)光敏陣列不同部位的相位圓的四幅并行圖像。

在相機(jī)捕獲的每一幀的曝光時(shí)間，我們隨機(jī)選擇4個(gè)θ2 ={0°、45°、90°、135°}的不同 phase filters，然后將圖3A中所示的單個(gè)圖像進(jìn)行累加。

圖3B

圖3C

通過對(duì)圖像進(jìn)行類似處理，定義如圖3B的四個(gè)ROI，得到圖3C中的曲線。

實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了相位對(duì)象的時(shí)變位移

然后，研究人員再現(xiàn)了與前面展示的相同的單個(gè)圖像的獲取，但現(xiàn)在的不同之處在于，對(duì)于每個(gè)圖像，都選擇了相位圓的一個(gè)位置，并跟蹤這個(gè)位置。得到的原始圖像如圖4A所示。

圖4A：通過我們的協(xié)議獲得的原始單幅圖像，對(duì)應(yīng)于用具有不同方向的四個(gè)相位濾波器獲得的相同相位圓的圖像，θ2= {0°，45°，90°，135° }

然而，可以利用相位圓的位置信息對(duì)每幅圖像進(jìn)行反掃描，然后再將所有圖像相加。結(jié)果如圖4B所示。

圖4B

在這里，可以再次看到四個(gè)不同的濾波相位圓，表示一個(gè)貝爾不等式測(cè)試。

從EPR悖論，到貝爾不等式

在上個(gè)世紀(jì)，愛因斯坦、鮑里斯?波多爾斯基和納森?羅森共同提出了著名的EPR悖論(EPR分別是三位科學(xué)家姓氏首字母縮寫)：

如果一個(gè)物理理論對(duì)物理實(shí)在的描述是完備的，那么物理實(shí)在的每個(gè)要素都必須在其中有它的對(duì)應(yīng)量，即完備性判據(jù)。

當(dāng)我們不對(duì)體系進(jìn)行任何干擾，卻能確定地預(yù)言某個(gè)物理量的值時(shí)，必定存在著一個(gè)物理實(shí)在的要素對(duì)應(yīng)于這個(gè)物理量，即實(shí)在性判據(jù)。

簡(jiǎn)單來說，他們認(rèn)為量子力學(xué)之所以能呈現(xiàn)出不可預(yù)測(cè)的概率性，是因?yàn)榇嬖谝恍╇[藏的物理變量。

愛因斯坦認(rèn)為，如果這些隱變量真的存在，就必須把它們找出來。他也希望用所謂的 “定域隱變量理論” 來取代量子力學(xué)理論。

但是，到了1964年，年輕的貝爾提出了轟動(dòng)世界的貝爾不等式。

這是一個(gè)有關(guān)是否存在完備局域隱變量理論的不等式。實(shí)驗(yàn)表明貝爾不等式不成立，說明不存在關(guān)于局域隱變量的物理理論可以復(fù)制量子力學(xué)的每一個(gè)預(yù)測(cè)(即貝爾定理)。

在貝爾的論文中，他給出了一個(gè)不等式：

若S=2，說明沒有量子糾纏；

若2

而目前，科學(xué)界普遍接受了量子糾纏的存在，但卻沒有人真正見到過量子糾纏的圖像。

在圖像中執(zhí)行貝爾不等式檢驗(yàn)的成像設(shè)備

為了獲取量子糾纏的圖像，研究人員先是搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

在圖像中執(zhí)行貝爾不等式檢驗(yàn)的成像設(shè)備

在這個(gè)系統(tǒng)中，由一個(gè)β-硼酸鋇(BBO)晶體組成，從而通過自發(fā)參數(shù)下轉(zhuǎn)換(SPDC)在710 nm處產(chǎn)生空間糾纏的光子對(duì)。

這兩個(gè)光子在一個(gè)分束器上分離，并傳播到兩個(gè)不同的光學(xué)系統(tǒng)：

第一個(gè)光子被放置在晶體的像平面上的空間光調(diào)制器(SLM)反射并顯示相位對(duì)象，然后被收集到單模光纖(SMF)中，隨后被單光子雪崩二極管(SPAD)檢測(cè)到；

第二個(gè)光子通過一個(gè)約20米長(zhǎng)的圖像保存延遲線傳播，最后被一個(gè)增強(qiáng)電荷耦合器件(ICCD)相機(jī)檢測(cè)到。

——公式1

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，研究人員為了對(duì)貝爾不等式進(jìn)行成像，他們使用了簡(jiǎn)化版的公式1與通過SPDC生成的EPR狀態(tài)所表現(xiàn)出的空間相關(guān)性結(jié)合，來獲得貝爾行為的空間分辨率圖像。

“自然基本屬性的優(yōu)雅展示”意味著什么？

最后，論文一作Paul-Antoine Moreau博士表示：

“這張圖像是對(duì)自然基本屬性的優(yōu)雅展示，量子糾纏第一次以圖像的形式被看到，這一結(jié)果可推動(dòng)量子計(jì)算新興領(lǐng)域的發(fā)展，并催生新型成像技術(shù)和設(shè)備。”