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。

近日，英國格拉斯哥大學團隊在《科學•進展》上發表研究指出，他們利用直觀的圖像信息證明了量子糾纏的存在。這樣的思路並非首次實現，只是，格拉斯哥大學團隊此次在不同的維度上進行了實驗。

下面這張看起來神似太極圖的黑白圖像，並非像有些讀者直觀理解的那樣是兩路處於糾纏態的光子，而是其中一路光子的分布圖像。在另一路糾纏光子的遠程影響下，圖像呈現為一分為二的指環狀，表明兩路光子的狀態改變是一致的。

黑色中間線的角度體現了光子的相位信息。實驗共拍攝到了四幅這樣的圖像，角度各不相同，體現的是4種不同的相位。

量子糾纏

量子是物理學中不可再分的基本單元，由德國物理學家普朗克在1900年首次提出。比如，光子就是量子性的，不存在「半個光子」的說法。

科學家們在量子這個維度的世界上，發現了許多奇妙的現象，經典物理學在這個世界轟然崩塌。其中，疊加態就是一種奇妙的表現，一個光子可以同時處於兩個相位的疊加，就像薛丁格那隻著名的「既生又死」的貓。而一旦對該光子的狀態進行測量，它就會隨機坍縮到其中一種狀態。

愛因斯坦反感這種「上帝擲骰子」一般的解釋，他和波多爾斯基、羅森一起提出了量子糾纏的概念。根據量子力學理論，兩個甚至多個粒子可以一起處於疊加態，這種情況下每一個粒子的狀態就不是獨立的了，都依賴別的粒子的狀態，會出現本文開頭所述的「你變我也變」的現象。

然而，同樣是根據量子力學理論，這些粒子的疊加態和它們之間的距離沒有關係，無論多遠都是瞬間改變。但是，狹義相對論是不允許瞬時傳遞信息的。

愛因斯坦以為用這種方法就能證明量子力學是不完備的。他覺得，一定有一種未知的「隱變量」起到了作用，給光子們通風報信，幫助它們「作弊」。

然而，愛因斯坦這一次錯了。後世的科學家們不斷進行更長距離的量子糾纏實驗，來證明鬼魅般的遠距離作用真的存在。一些研究團隊甚至利用幾百萬光年外的星星來做實驗室，如果光子們真的有「作弊」的方法，就得穿越到幾百萬年前串通好。

孿生光子

這次英國格拉斯哥大學團隊試圖巧妙地利用鬼魅般的遠距離作用，形成兩路光子間鬼魅般的遠距離幹涉，用照相機直觀地拍下它們「心靈相通」的情形。

實驗裝置具體是這樣設計的：一個紫外光子通過了偏硼酸鋇（BBO）晶體後，變成了一對相互糾纏的紅光光子。它們通過分束器後分道揚鑣，沿著兩條光路傳播。

其中，光子A穿過空間光調製器1改變相位信息，經單模光纖收集後被單光子探測器探測到，觸發另一路上的照相機。光子B則通過空間光調製器2後，進入一條延長線等待被拍攝。

該實驗精妙的地方，在於光子A觸發照相機拍攝時，與它相糾纏的光子B會剛剛好被照相機拍到。由於處在糾纏的狀態，一個光子的相位改變也會使另一個光子發生相應變化。大量光子疊加得到的指環狀圖案表明，光子之間確實存在一致的相位變化。

主導該研究的莫羅（Paul-Antoine Moreau）表示：「我們捕捉的圖像是對自然界基本屬性的一種優雅展現，且是首次以圖像的方式呈現。」