物理学家首次捕捉到量子纠缠的图像

在20世纪30年代，理论物理学家阿尔伯特·爱因斯坦的相对论帮助建造了量子力学领域。爱因斯坦想创立一个更完整的粒子活动理论，却被量子纠缠的前景所震惊——这是他所描述的“遥远的恐怖行动”。

尽管爱因斯坦很担心，但量子纠缠已经成为量子力学中被接受的一部分。如今，格拉斯哥大学的一个物理学家团队有史以来第一次拍摄了一种量子纠缠形式的图像（又名钟纠缠）。他们设法捕捉到了即使爱因斯坦也感到困惑的现象的第一个视觉证据。

2019年7月，格拉斯哥大学早期职业研究员保罗·安托恩·莫罗博士领导的格拉斯哥物理学院的多名研究人员在《科学前沿》杂志上发表了这一发现，论文题为“成像钟型非局部行为”。

注：量子纠缠可视化。图片来源：探索新闻。

量子纠缠是相互作用的两个粒子可以保持连接的现象，无论它们相距多远，都同时共享彼此的物理状态。这种联系是量子力学的核心，尽管它违反了当地现实主义的概念和狭义相对论的许多元素。

1964年时，约翰·贝尔爵士对以前理论家的研究进一步扩展，提出非局部相互作用的概念，并描述了量子纠缠的一种强烈形式，被称为钟纠缠，这一概念应用于多种科学领域，如量子计算、密码学等。

然而在2019年之前，人类从来没有捕捉到这一图像。正如莫罗博士在格拉斯哥大学的新闻稿中所说：

“我们设法捕捉到的图像是自然基本属性的优雅展示，是第一次以图像的形式出现。这是一个令人兴奋的结果，可以用来推进量子计算这一新兴领域，并促进新类型成像的发展。”

为了获得成像，莫罗博士的研究团队设计了一个系统，其中一些照片是从量子光源发射，然后通过一系列“非常规物体”（液晶材料）获得的。当光通过时，这些材料改变了光子的相位。

注：量子纠缠。图片来源：香港科大物理系

该装置还包括一个超敏感相机，可以检测单个光子并捕获它们的图像。然而，相机被编程为同时看到一个光子和它的纠缠光子时才可以拍摄。在这样的过程中，实验有效地创造了两个光子纠缠的可见记录。

本研究结果为钟纠缠的量子成像技术开辟了全新的世界，它对量子信息领域也产生了影响（即量子计算和密码学）。

相关知识

在量子力学里，当几个粒子在彼此相互作用后，由于各个粒子所拥有的特性已综合成为整体性质，无法单独描述各个粒子的性质，只能描述整体系统的性质，则称这现象为量子缠结或量子纠缠（quantum entanglement）。量子纠缠是一种纯粹发生于量子系统的现象；在经典力学里，找不到类似的现象。

假若对于两个相互纠缠的粒子分别测量其物理性质，像位置、动量、自旋、偏振等，则会发现量子关联现象。例如，假设一个零自旋粒子衰变为两个以相反方向移动分离的粒子。沿着某特定方向，对于其中一个粒子测量自旋，假若得到结果为上旋，则另外一个粒子的自旋必定为下旋，假若得到结果为下旋，则另外一个粒子的自旋必定为上旋；更特别地是，假设沿着两个不同方向分别测量两个粒子的自旋，则会发现结果违反贝尔不等式；除此以外，还会出现貌似佯谬般的现象：当对其中一个粒子做测量，另外一个粒子似乎知道测量动作的发生与结果，尽管尚未发现任何传递信息的机制，尽管两个粒子相隔甚远。

阿尔伯特·爱因斯坦、鲍里斯·波多尔斯基和纳森·罗森于1935年发表的爱因斯坦-波多尔斯基-罗森佯谬（EPR佯谬）论述到上述现象。埃尔温·薛定谔稍后也发表了几篇关于量子纠缠的论文，并且给出了“量子纠缠”这一术语。爱因斯坦认为这种行为违背了定域实在论，称之为“鬼魅般的超距作用”，他总结，量子力学的标准表述不具完备性。然而，多年来完成的多个实验证实量子力学的反直觉预言正确无误，还检试出定域实在论不可能正确。甚至当对于两个粒子分别做测量的时间间隔，比光波传播于两个测量位置所需的时间间隔还短暂之时，这现象依然发生，也就是说，量子纠缠的作用速度比光速还快。完成的一项实验显示，量子纠缠的作用速度至少比光速快10,000倍。这还只是速度下限。根据量子理论，测量的效应具有瞬时性质。可是，这效应不能被用来以超光速传输经典信息，否则会违反因果律。

作者: Matt Williams

FY: 董美慧

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