利用五個原子,改進了鬼影成像,還能進行量子力學的基本驗證!

2020-11-26 博科園

在傳統成像方法中，一束光子(或其他粒子)被反射到要成像的物體上。光束到達探測器後，收集到的信息被用來創建照片或其他類型圖像。在另一種成像技術「鬼影成像」(ghost imaging)中，這個過程的工作原理略有不同：圖像是根據從從未與物體實際交互光束中檢測到的信息重建。鬼影成像的關鍵是使用兩個或多個相關粒子束。當一束光與物體相互作用時，第二束光被檢測出來並用於重建圖像。

即使第二束光從未與物體相互作用，被探測到第一束光的唯一方面是單獨探測器上每個光子的到達時間，但由於兩束光是相互關聯的，因此可以完全重建出物體的圖像。雖然在鬼影成像中通常使用兩束光，但新研究已經證明了高階相關關係，即三束、四束或五束之間的相關性。高階鬼影成像可以提高圖像的可視性，但其缺點是高階相關事件的檢測概率較低，導致解析度較低。在一篇新論文中，來自坎培拉澳大利亞國立大學的一組物理學家在高階鬼影成像方面取得了兩項新成就：

第一次展示了高階鬼影成像中含有大量粒子(他們使用超冷氦原子)，第一次展示了高階鬼影成像中使用量子源相關光束。作為量子源，研究人員使用了兩種碰撞的玻色-愛因斯坦凝聚體，是冷卻到接近絕對零度的原子簇。在如此寒冷的溫度下，玻色-愛因斯坦凝聚體中的原子聚集在一起，表現得像一個巨大的原子。研究人員利用五個氦原子之間的相互關係進行了實驗。證明，在一定條件下，量子源的大質量粒子高階鬼影成像可以在不影響解析度的情況下提高圖像可見性。

澳大利亞國立大學物理學家、論文第一作者肖恩·霍奇曼說：我認為，這項研究的最大意義主要在於能夠證明，這樣一項具有挑戰性的實驗是可能的。在一個量子源中有非常少的多粒子相關事件，這就是為什麼它之前沒有被光學證明的部分原因，這意味著即使經過了成千上萬次的實驗運行，也只有很少的事件可以用來重建幽靈圖像。演示的改進對於需要高可視性，但容易損壞的應用程式尤其有益，這是因為這項技術有可能降低劑量率。

從而減少對樣品的潛在輻射損傷，其中一個應用是原子鬼光刻，原子鬼光刻技術將和普通原子光刻技術一樣，但是使用相關光束可以實時監控光刻過程。高階關聯將通過允許具有相同信號質量的低通量來改善鬼影光刻技術，這一點很重要，因為高通量對樣品有損壞的風險。隨著進一步研究，高階量子鬼影成像也可以用來進行量子力學的基本測試，比如證明多個原子之間的糾纏，或者在一個相關脈絡中，使用三個或更多粒子來測量貝爾不等式。

博科園｜Copyright Science X Network/Lisa Zyga,Phys參考期刊《物理評論快報》DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.233601博科園｜科學、科技、科研、科普

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