怪異的量子力學現象，用光子徑向位置和動量的相關性，讓光子糾纏

2020-10-18 博科園

來自廈門大學、渥太華大學和羅切斯特大學的一組研究人員已經表明：利用光子的徑向位置和軌道角動量狀態之間的相關性，可以糾纏光子。在其發表在《物理評論快報》期刊上的研究論文中，報告了用糾纏光子進行的實驗以及發現到的東西。隨著科學家們繼續研究「怪異」的量子力學現象，糾纏已經成為頭條新聞。研究表明，不同類型的量子粒子可以糾纏，特別是光子可以通過極化等屬性之間的相關性糾纏。

在這項新研究中，研究人員已經表明，糾纏光子對也可以通過光子徑向位置和徑向動量之間的相關性來糾纏。對於光子，徑向位置是光子的半徑狀態，光子的徑向動量是描述通過環是收縮還是膨脹的一種方式。在這項新研究中，研究人員試圖了解是否有可能使用這兩個屬性來關聯糾纏光子為了找出答案，研究人員通過向晶體發射雷射產生了一對糾纏光子，每個糾纏光子隨後被兩個空間光調製器引導到一個單獨的臂上。

一個調製器檢查半徑之間的相關性，另一個檢查動量。調製器只允許預定義類型的光子通過，能夠通過的光子由位於臂末端的探測器測量。如果兩個光子都通過了調製器，那麼它們就被認為是糾纏的。實驗表明，光子確實可以通過徑向位置和動量來關聯。研究人員認為其發現開闢了以新的方式使用糾纏光子的可能性，例如創造專門的光鑷，用於更精確地移動俘獲粒子等應用。這樣的糾纏光子可以用來創造新類型的密碼學應用，或者用作測試物理理論的實驗工具。

眾所周知，光子的角位置和軌道角動量(OAM)是量子信息科學技術中廣泛探索的一對共軛變量。相比之下，徑向自由度仍然相對較少。新研究利用徑向變量，即徑向位置和徑向動量，來證明下轉換光子之間的Einstein-Podolsky-Rosen關聯。在實驗中，準備了各種環形孔徑來確定徑向位置，並使用本徵模投影來測量徑向動量。所得到的關聯違反了獨立粒子的海森堡測不準原理，從而在雙光子波函數的徑向結構中體現了糾纏特徵。

博科園｜Copyright Science X Network/Bob Yirka,Phys

參考期刊《物理評論快報》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.060403

博科園｜科學、科技、科研、科普

關注【博科園】看更多大美宇宙科學哦

相關焦點

  • 廈門大學陳理想團隊:徑位置與徑動量—光子的徑向新自由度
    最近，廈門大學陳理想團隊利用光場調控技術，首次實驗揭示了自發參量下轉換雙光子的徑位置和徑動量所具有的新EPR量子關聯。該工作表明，除了角位置與角動量，光子的徑位置與徑動量這一對共軛自由度可望在光學微操控、量子信息處理等領域具有重要的應用前景。
  • 廈門大學陳理想團隊: 徑位置與徑動量—光子的徑向新自由度
    該工作表明，除了角位置與角動量，光子的徑位置與徑動量這一對共軛自由度可望在光學微操控、量子信息處理等領域具有重要的應用前景。光場調控是當前國際光學與光子學領域的研究熱點。其中，空間維度的光場調控，主要是指調控光場振幅、偏振態、相位等參量，以產生具有特殊空間分布的新型光場，這類光場也展現了一系列新穎的物理效應和現象。
  • 量子糾纏真的很怪異嗎？
    」量子力學所預言的最令人困惑的現象之一是量子糾纏，愛因斯坦稱之為「幽靈般的超距作用」。這兩個光子可以相隔數光年的距離，但它們仍然是聯繫在一起的：測量光子A是垂直偏振的，光子B瞬間就變成了水平偏振，即使B的狀態在測量前的一瞬間沒有被指明，而且沒有信號在它們之間傳播。這就是愛因斯坦在20世紀30年代和40年代反對量子力學完備性的討論中提到的「詭異行為」。
  • 量子糾纏真的很怪異嗎?
    大多數人認為量子力學非常怪異，正如尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）所說：「如果你不為量子力學震驚，你就沒有真正理解它。」量子力學所預言的最令人困惑的現象之一是量子糾纏，愛因斯坦稱之為「幽靈般的超距作用」。
  • 神秘的量子力學現象—量子糾纏
    科學家們在太空衛星上，用一種高能量雷射器通過一種特殊的晶體發射，產生糾纏的光子，在實驗開始之前，科學家們並不完全確定它會起作用。這些光子被傳送到了地面，在地面上的多次測試證實，衛星的粒子確實仍然纏繞在一起。現在科學家們嘗試新的實驗：將量子粒子從地面傳送到衛星上，再建立一個分銷渠道，允許每秒傳輸數上萬個光子糾纏對。如果實驗成功。那麼衛星就可以用於量子通信了。
  • 光子的自旋角動量和軌道角動量
    光同時具有粒子和波的屬性，它的線動量大家早已熟知，然而角動量及其起源少有提及。
  • 詭異到讓你懷疑人生的量子糾纏究竟是怎麼回事？
    如果一定要說哪個最前沿的物理學是最讓人困惑的，那麼一定要非量子糾纏莫屬了。不論是「糾纏」這個充滿人性化的名字，還是超越時空的相互聯繫無不突破人類理解的底限。量子糾纏究竟是怎樣的一種物理現象呢？現在經典力學可以發威了，任何時候，只要我們測量其中一個小球與碰撞點的距離，都能知道另外一個小球距離碰撞點有多遠；同時，如果我們測量其中一個小球的速度，也能知道另外一個小球的速度。換句話說，碰撞之後，這兩個小球的位置和速度（嚴格說是動量）是相關的。我們可以把這種相關性叫做「糾纏」。
  • 量子糾纏新發現:令人毛骨悚然的神奇現象
    不了解它的人可能會認為這又是老生常談了，明明用普通概率論就能輕易解釋。而對於了解的人來說，它是一種令人毛骨悚然的神奇現象，以頗為神秘的方式解釋現實的本質。事實上，量子糾纏兼具以上兩種特點。如果拋開現實世界的運作原理不談，那麼量子糾纏可以用普通概率理論來解釋。
  • 人類拍到第一張量子糾纏照片:孿生光子組成的指環
    原標題：英國團隊拍到了「量子糾纏照片」：孿生光子組成的指環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。
  • 什麼是量子糾纏？
    在經典物理學中，質點的狀態可以用運動方程來描述，在任意時刻質點的位置和動量都是確定的。由於微觀粒子具有波粒二象性的特點，因此經典物理的方程不能用於描述微觀粒子的運動。量子力學中，為了定量描述微觀粒子的狀態，引入了波函數。
  • 究竟什麼是量子糾纏?
    在經典物理學中，質點的狀態可以用運動方程來描述，在任意時刻質點的位置和動量都是確定的。由於微觀粒子具有波粒二象性的特點，因此經典物理的方程不能用於描述微觀粒子的運動。量子力學中，為了定量描述微觀粒子的狀態，引入了波函數。
  • 究竟什麼是量子糾纏？
    在經典物理學中，質點的狀態可以用運動方程來描述，在任意時刻質點的位置和動量都是確定的。由於微觀粒子具有波粒二象性的特點，因此經典物理的方程不能用於描述微觀粒子的運動。量子力學中，為了定量描述微觀粒子的狀態，引入了波函數。所謂的波函數，用Ψ（音：普西）表示，是一個坐標和時間的複函數，其絕對值（模）的平方對應於微觀粒子在空間某處出現的概率密度。
  • 量子研究人員能夠將一個光子分成三個,希望創造三光子量子糾纏
    首次出現這種現象是在量子光學中使用了自發參量下轉換 （SPDC ，Spontaneous parametric down-conversion）方法，並創造了量子光學研究人員稱為非高斯光態的狀態。非高斯光態被認為是獲得量子優勢的關鍵因素。 自發的參數下轉換（SPDC）一直是探索量子現象及其應用的一項關鍵技術。
  • 新的量子悖論:量子力學的恐怖,皆來源於人對「真實」的認知
    這一新的量子悖論使所觀察到的物理現實的基礎受到質疑。這篇論文研究是迄今為止對於量子力學中一系列發現的最強烈的描述，這些發現顛覆了我們對「真實」的認知。要了解為什麼它如此重要，這得從量子力學的歷史簡單說起。量子力學可以很好地描述微小物體的行為，例如原子或光粒子（光子）。但是，這種行為是……非常怪異。
  • 量子理論、量子糾纏和量子加密通信
    量子計算和量子通信都基於量子糾纏，量子會不會發生糾纏？
  • 量子糾纏還是愛恨糾纏？玻爾和愛因斯坦的世紀之爭
    在不到25年的時間裡，從普朗克1900年發現黑體輻射定律，愛因斯坦發現光子，玻爾重新定義原子模型，海森堡和伯恩改進量子力學開始，二十世紀第一季度的物理學從完全確定性發展到了看似不確定性。換句話說，在測量（例如）電子位置之前，最好通過概率分布（波動函數）描述其位置。在測量電子位置的過程中，測量或觀察電子的設備會影響概率分布。在測量之後，由於觀察者的影響，現在最好用單個值（例如笛卡爾坐標）來定義電子的位置。
  • 科學家將在空間站進行「量子糾纏態」實驗(圖)
    據國外媒體報導，早在1935年，阿爾伯特愛因斯坦、波多爾斯基以及納森羅森提出了「EPR悖論」，這個思想實驗描述了兩個相互作用的粒子，沿著相反方向分離，在不確定性原理的框架下，我們無法同時得知其中一個粒子的位置和動量信息，如果對位置測量得越精確，那麼對動量的測量就越不精確，而且對其中一個粒子進行測量行為並不是幹擾另一個粒子，但是EPR悖論認為無論這兩個粒子分離後相距多遠
  • 量子糾纏和相對論真的是矛盾的嗎?
    但是，量子力學中的粒子糾纏現象具有超光速特點，似乎和相對論是矛盾的。科學史上最不可思議的就是量子力學理論預測的「量子糾纏」。量子糾纏是從量子力學的方程式中得出來的，然後經過試驗證實。量子力學預言，處於糾纏態的微觀粒子，會保持相互關聯。比如兩個電子，一正一負，碰到一起，變成了一對光子，這樣兩個光子會處於一種糾纏狀態。
  • 物理學家首次捕捉到量子糾纏的圖像
    量子糾纏是相互作用的兩個粒子可以保持連接的現象，無論它們相距多遠，都同時共享彼此的物理狀態。這種聯繫是量子力學的核心，儘管它違反了當地現實主義的概念和狹義相對論的許多元素。圖片來源：香港科大物理系該裝置還包括一個超敏感相機，可以檢測單個光子並捕獲它們的圖像。然而，相機被編程為同時看到一個光子和它的糾纏光子時才可以拍攝。在這樣的過程中，實驗有效地創造了兩個光子糾纏的可見記錄。本研究結果為鍾糾纏的量子成像技術開闢了全新的世界，它對量子信息領域也產生了影響（即量子計算和密碼學）。
  • 量子力學
    廣義而言，量子力學包含經典物理學無法解釋的四類現象:某些物理性質的量子化量子糾纏不確定性原理波粒二象性然而，後來在2018年10月，有物理學家研究稱，對於單粒子，量子行為可以用經典物理學來解釋，但對於多個粒子，如量子糾纏和相關的非定域現象則不能。