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)，可實時可視化兩個糾纏光子(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)的進步，改進量子態(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)測對量子實體的各種測量(如位置和速度等)的可能結(jié)果。這種預(yù)測能力非常有用，了解量子計算機中產(chǎn)生或輸入的量子態(tài)使科學(xué)家可以測試計算機本身，也有望促進量子技術(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，是一項極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。使用基于投影運算的標(biāo)準(zhǔn)方法，完整的斷層掃描需要進行大量測量，而這些測量會隨著系統(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糾纏光子的高維量子態(tài)需要數(shù)小時甚至數(shù)天。

此外，實驗結(jié)果對噪聲高度敏感，并與實驗裝置的復(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)擴展到兩個光子的情況。研究人員讓兩個光子與一個量子態(tài)疊加，然后分析兩個光子同時到達(dá)位置的空間分布。對兩個光子的同時到達(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。研究團隊通過一臺可在每個像素上以納秒分辨率記錄事件的相機實現(xiàn)了這一點。

團隊指出，最新方法只需幾分鐘甚至幾秒鐘的檢測時間，而非幾天。重要的是，檢測時間不受系統(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展性問題。

審核編輯 黃宇