人類拍到第一張量子糾纏照:孿生光子組成指環

京港台:2019-7-17 23:45| 來源:澎湃新聞 | 評論( 6 )  | 我來說幾句

人類拍到第一張量子糾纏照:孿生光子組成指環

來源:倍可親(backchina.com)

  量子糾纏在愛因斯坦的口中是一種「鬼魅般的遠距離作用」,兩個粒子無論相隔多遠,都存在關聯感應,一個變化另一個也變化。

  有些人用這樣的比喻來幫助理解量子糾纏:如果你從上海到北京出差,打包時遺漏了一隻手套。你到北京取出了一隻左手手套,瞬間就可以確認遺漏在上海的那一隻手套一定是右手的。

  近日,英國格拉斯哥大學團隊在《科學•進展》上發表研究指出,他們利用直觀的圖像信息證明了量子糾纏的存在。這樣的思路並非首次實現,只是,格拉斯哥大學團隊此次在不同的維度上進行了實驗。

  下面這張看起來神似太極圖的黑白圖像,並非像有些讀者直觀理解的那樣是兩路處於糾纏態的光子,而是其中一路光子的分布圖像。在另一路糾纏光子的遠程影響下,圖像呈現為一分為二的指環狀,表明兩路光子的狀態改變是一致的。

  

  黑色中間線的角度體現了光子的相位信息。實驗共拍攝到了四幅這樣的圖像,角度各不相同,體現的是4種不同的相位。

  

  量子糾纏

  量子是物理學中不可再分的基本單元,由德國物理學家普朗克在1900年首次提出。比如,光子就是量子性的,不存在「半個光子」的說法。

  科學家們在量子這個維度的世界上,發現了許多奇妙的現象,經典物理學在這個世界轟然崩塌。其中,疊加態就是一種奇妙的表現,一個光子可以同時處於兩個相位的疊加,就像薛定諤那隻著名的「既生又死」的貓。而一旦對該光子的狀態進行測量,它就會隨機坍縮到其中一種狀態。

  愛因斯坦反感這種「上帝擲骰子」一般的解釋,他和波多爾斯基、羅森一起提出了量子糾纏的概念。根據量子力學理論,兩個甚至多個粒子可以一起處於疊加態,這種情況下每一個粒子的狀態就不是獨立的了,都依賴別的粒子的狀態,會出現本文開頭所述的「你變我也變」的現象。

  然而,同樣是根據量子力學理論,這些粒子的疊加態和它們之間的距離沒有關係,無論多遠都是瞬間改變。但是,狹義相對論是不允許瞬時傳遞信息的。

  愛因斯坦以為用這種方法就能證明量子力學是不完備的。他覺得,一定有一種未知的「隱變數」起到了作用,給光子們通風報信,幫助它們「作弊」。

  然而,愛因斯坦這一次錯了。後世的科學家們不斷進行更長距離的量子糾纏實驗,來證明鬼魅般的遠距離作用真的存在。一些研究團隊甚至利用幾百萬光年外的星星來做實驗室,如果光子們真的有「作弊」的方法,就得穿越到幾百萬年前串通好。

  孿生光子

  

  這次英國格拉斯哥大學團隊試圖巧妙地利用鬼魅般的遠距離作用,形成兩路光子間鬼魅般的遠距離干涉,用照相機直觀地拍下它們「心靈相通」的情形。

  實驗裝置具體是這樣設計的:一個紫外光子通過了偏硼酸鋇(BBO)晶體后,變成了一對相互糾纏的紅光光子。它們通過分束器後分道揚鑣,沿著兩條光路傳播。

  其中,光子A穿過空間光調製器1改變相位信息,經單模光纖收集后被單光子探測器探測到,觸發另一路上的照相機。光子B則通過空間光調製器2后,進入一條延長線等待被拍攝。

  該實驗精妙的地方,在於光子A觸發照相機拍攝時,與它相糾纏的光子B會剛剛好被照相機拍到。由於處在糾纏的狀態,一個光子的相位改變也會使另一個光子發生相應變化。大量光子疊加得到的指環狀圖案表明,光子之間確實存在一致的相位變化。

  主導該研究的莫羅(Paul-Antoine Moreau)表示:「我們捕捉的圖像是對自然界基本屬性的一種優雅展現,且是首次以圖像的方式呈現。」

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