纠缠光子的全息“量子跃迁”可能会彻底改变成像

一种使用纠缠光子来克服传统全息方法的局限性的新型量子全息术，可以改善医学成像并加速量子信息科学的发展。

格拉斯哥大学的物理学家团队是世界上第一个找到使用量子纠缠光子来将信息编码为全息图的方法的团队。2021年2月4日发表在《自然物理学》杂志上的一篇论文概述了它们突破的背后过程。

全息术作为打印在信用卡和护照上的安全图像而被许多人所熟悉，但它还有许多其他实际应用，包括数据存储，医学成像和防御。

经典全息术通过将激光束分成两条路径来创建三维物体的二维渲染。一种光束（称为物光束）的路径用照相机或特殊的全息胶片收集的反射光照亮全息照相的对象。第二光束的路径，称为参考光束，从镜子直接反射到收集表面上，而不会接触到对象。

全息图是通过测量两束光在相交处的相位差来创建的。相位是被摄体和被摄体光束的波相互混合并相互干扰的量，这一过程由称为“相干性”的光的属性实现。

格拉斯哥小组的新量子全息照相工艺还使用了分成两路的激光束，但是与经典全息照相不同，激光束永远不会重新结合。取而代之的是，该过程利用了量子纠缠的独特性质（爱因斯坦著名地称为“远距离的鬼动作”），即使光束束束也能收集构造全息图所需的相干信息。

他们的过程始于实验室，首先是通过特殊的非线性晶体发出蓝色激光，该晶体将光束分成两部分，从而在过程中产生纠缠的光子。纠缠的光子是内在联系的–当一个代理作用于一个光子时，其伙伴也会受到影响，无论它们之间有多远。团队过程中的光子在行进方向和偏振方向上都纠缠在一起。

然后，两条纠缠的光子流沿着不同的路径发送。一个光子流（相当于经典全息术中的目标光束）用于通过测量光子通过时的减速来探测目标物体的厚度和偏振响应。光的波形在穿过物体时会发生不同程度的偏移，从而改变了光的相位。

同时，它的缠结伴侣撞击了一个空间光调制器，相当于参考光束。空间光调制器是可以部分减慢通过它们的光速的光学设备。一旦光子通过了调制器，它们的相位与探测目标物体的纠缠伴侣相比就不同了。

在标准全息术中，两条路径然后将彼此叠加，并且它们之间的相位干扰程度将用于在相机上生成全息图。在该团队的量子全息术中，最引人注目的方面是，光子在穿过各自的靶标后再也不会相互重叠。

取而代之的是，由于光子被纠缠为单个“非局部”粒子，因此每个光子偶发地经历了各自的相移。

干扰现象在远程发生，并且通过使用单独的百万像素数码相机测量纠缠的光子位置之间的相关性来获得全息图。最终，通过组合针对由两个光子之一上的空间光调制器实现的四个不同的全局相移而测量的四个全息图，最终获得了物体的高质量相位图像。

在该小组的实验中，相图是从液晶显示器上编程的“ UofG”字母等人造物体重构而来的，而从透明胶带，显微镜载玻片上的硅油滴和鸟羽毛等真实物体中重构出的相位图也是如此。

格拉斯哥大学物理与天文学学院的Hugo Defienne博士是该论文的主要作者。德菲安博士说：“经典全息术在光的方向，颜色和偏振方面做得非常聪明，但是它有局限性，例如来自不需要的光源的干扰以及对机械不稳定的强烈敏感性。

“我们开发的过程使我们摆脱了经典相干性的局限，将全息术带入了量子领域。使用纠缠的光子提供了创建更清晰，更丰富的全息图的新方法，这为该技术的实际应用开辟了新的可能性。

“这些应用之一可能是在医学成像中，在全息术中全息照相已被用于仔细检查通常接近透明的精致样品的细节。我们的过程允许创建更高分辨率，更低噪声的图像，这可以帮助揭示更精细的细胞细节，并帮助我们更多地了解生物学在细胞水平上的功能。”

格拉斯哥大学的教授Daniele Faccio领导小组取得了突破性进展，是该论文的合著者。

Faccio教授说：“对此真正令人兴奋的部分是，我们找到了一种将百万像素数码相机集成到检测系统中的方法。

近年来，使用简单的单像素传感器在光学量子物理学中取得了许多重大发现。它们具有体积小，速度快和负担得起的优点，但缺点是只能捕获有关过程中涉及的纠缠光子状态的非常有限的数据。要捕获我们可以在单个图像中收集的细节级别，将花费大量时间。

“我们正在使用的CCD传感器为我们提供了前所未有的分辨率-每个纠缠光子的每个图像最多可容纳10,000像素。这意味着我们可以非常精确地测量它们的纠缠质量和光束中的光子数量。

“未来的量子计算机和量子通信网络将至少需要有关它们将使用的纠缠粒子的详细程度。这使我们在那些快速发展的领域中实现真正的步调迈出了一步。这是一个非常令人激动的突破，我们渴望通过进一步完善进一步巩固这一成功。”

参考：Hugo Defienne，Bienvenu Ndagano，Ashley Lyons和Daniele Faccio撰写的“极化纠缠使能全息图”，2021年2月4日，自然物理学。DOI：
10.1038 / s41567-020-01156-1

研究小组的论文名为“极化纠缠启用量子全息术”，已发表在《自然物理学》上。他们的工作得到了工程与物理科学研究委员会（EPSRC）以及欧盟的Horizo​​n 2020和Marie-Curie Sklodowska Actions计划的资助。