物理學家首次捕捉到量子糾纏的圖像

2020-08-28 天文在線

在20世紀30年代，理論物理學家阿爾伯特·愛因斯坦的相對論幫助建造了量子力學領域。愛因斯坦想創立一個更完整的粒子活動理論，卻被量子糾纏的前景所震驚——這是他所描述的「遙遠的恐怖行動」。

儘管愛因斯坦很擔心，但量子糾纏已經成為量子力學中被接受的一部分。如今，格拉斯哥大學的一個物理學家團隊有史以來第一次拍攝了一種量子糾纏形式的圖像（又名鍾糾纏）。他們設法捕捉到了即使愛因斯坦也感到困惑的現象的第一個視覺證據。

2019年7月，格拉斯哥大學早期職業研究員保羅·安託恩·莫羅博士領導的格拉斯哥物理學院的多名研究人員在《科學前沿》雜誌上發表了這一發現，論文題為「成像鍾型非局部行為」。

註：量子糾纏可視化。圖片來源：探索新聞。

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。

1964年時，約翰·貝爾爵士對以前理論家的研究進一步擴展，提出非局部相互作用的概念，並描述了量子糾纏的一種強烈形式，被稱為鍾糾纏，這一概念應用於多種科學領域，如量子計算、密碼學等。

然而在2019年之前，人類從來沒有捕捉到這一圖像。正如莫羅博士在格拉斯哥大學的新聞稿中所說：

「我們設法捕捉到的圖像是自然基本屬性的優雅展示，是第一次以圖像的形式出現。這是一個令人興奮的結果，可以用來推進量子計算這一新興領域，並促進新類型成像的發展。」

為了獲得成像，莫羅博士的研究團隊設計了一個系統，其中一些照片是從量子光源發射，然後通過一系列「非常規物體」（液晶材料）獲得的。當光通過時，這些材料改變了光子的相位。

註：量子糾纏。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）。

相關知識

在量子力學裡，當幾個粒子在彼此相互作用後，由於各個粒子所擁有的特性已綜合成為整體性質，無法單獨描述各個粒子的性質，只能描述整體系統的性質，則稱這現象為量子纏結或量子糾纏（quantum entanglement）。量子糾纏是一種純粹發生於量子系統的現象；在經典力學裡，找不到類似的現象。

假若對於兩個相互糾纏的粒子分別測量其物理性質，像位置、動量、自旋、偏振等，則會發現量子關聯現象。例如，假設一個零自旋粒子衰變為兩個以相反方向移動分離的粒子。沿著某特定方向，對於其中一個粒子測量自旋，假若得到結果為上旋，則另外一個粒子的自旋必定為下旋，假若得到結果為下旋，則另外一個粒子的自旋必定為上旋；更特別地是，假設沿著兩個不同方向分別測量兩個粒子的自旋，則會發現結果違反貝爾不等式；除此以外，還會出現貌似佯謬般的現象：當對其中一個粒子做測量，另外一個粒子似乎知道測量動作的發生與結果，儘管尚未發現任何傳遞信息的機制，儘管兩個粒子相隔甚遠。

阿爾伯特·愛因斯坦、鮑裡斯·波多爾斯基和納森·羅森於1935年發表的愛因斯坦-波多爾斯基-羅森佯謬（EPR佯謬）論述到上述現象。埃爾溫·薛丁格稍後也發表了幾篇關於量子糾纏的論文，並且給出了「量子糾纏」這一術語。愛因斯坦認為這種行為違背了定域實在論，稱之為「鬼魅般的超距作用」，他總結，量子力學的標準表述不具完備性。然而，多年來完成的多個實驗證實量子力學的反直覺預言正確無誤，還檢試出定域實在論不可能正確。甚至當對於兩個粒子分別做測量的時間間隔，比光波傳播於兩個測量位置所需的時間間隔還短暫之時，這現象依然發生，也就是說，量子糾纏的作用速度比光速還快。完成的一項實驗顯示，量子糾纏的作用速度至少比光速快10,000倍。這還只是速度下限。根據量子理論，測量的效應具有瞬時性質。可是，這效應不能被用來以超光速傳輸經典信息，否則會違反因果律。

作者: Matt Williams

FY: 董美慧

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