一個由量子糾纏帶來的飛躍性突破

曾幾何時，全息圖還只是存在於科幻小説中的奇思妙想，但隨着激光 的快速發展，這種技術已逐漸成為世人矚目的焦點，它不再只出現在科幻作品中，而是存在於生活中的許多方面。現在， 全息技術已成了數據存儲、生物顯微鏡、醫學成像和醫學診斷等應用的重要工具。 例如在一種被稱為全息顯微術的技術中，科學家會利用全息圖來破譯組織和活細胞中的生物機制。

這種神奇的光學技術是由匈牙利裔英國物理學家Dennis Gabor於20世紀50年代初提出的，而Gabor也因此發明獲得了 1971年的諾貝爾物理學獎。

在經典的全息術中，這項技術涉及到將一束激光分成兩條路徑來描繪三維物體的二維繪圖。其中一條路徑的光束被稱為物光束，這束光用照相機或特殊的全息膠片收集到反射的光，來形成全息術中的像；第二條路徑的光束被稱為參考光束，它從一面鏡子上直接反彈到收集面上。

對於經典的全息術來説，兩道光束之間的干涉是 關鍵所在，而 干涉通常要求光是“相干的”， 即它們必須在何時何地都擁有相同的頻率。換句話説，光學相干性對任何全息過程都至關重要。作為一種高度相干的光，激光被用在大多數全息系統中。然而，這種方法雖然在光的方向、顏色和偏振方面可以有着非常好的表現，但也有着顯而易見的侷限性，比如可能會受到其他光源的干擾，且對外部物理環境的不穩定性非常敏感。

現在，格拉斯哥大學的一個物理學家團隊找到了一種繞過這些傳統侷限來創造全息圖的方法，為全息術帶來了飛躍性的突破。他們將新的方法發表在了近期的《自然-物理》雜誌上。

在傳統全息術中，我們認為光首先必須干涉才能產生全息圖；其次，光必須相干才能干涉。而在新的研究中，物理學家正是認為第二點“並不完全正確”才得以做出了突破。在新的方法中，他們同樣用到了一束被分成兩條路徑的激光，但與之前不同的是，這兩道光束永遠不會重新聚合，他們利用的是一種被愛因斯坦稱為“鬼魅般的超距作用”的奇異特性——量子糾纏。

糾纏的光子是由量子源以成對的粒子流的形式發射出來的光子，具有糾纏特性的 光子在本質上是“連接”在一起的，即便它們可能分別位於空間中的兩個相距甚遠的位置。如此一來，兩個糾纏的光子可以表現得像一個單一的物體那樣，對其中的任何一個進行的測量，都會影響到整個系統。

在新研究中，物理學家在實驗室中使用了一束藍色激光，他們將這束激光照射在一個特殊的非線性晶體上，激光通過晶體後會分裂成兩列光束，且在這個過程中產生糾纏光子。糾纏的光子不僅在運動方向上糾纏，而且在偏振上也是糾纏的。

每一對糾纏光子會被分開送往兩個不同的方向，一個光子被髮送到一個物體上，例如一個有着生物樣本的顯微鏡載玻片上，當它與物體發生撞擊時，光子就會稍微偏離一點或放慢一點，它相當於傳統全息術中的物光束。

與此同時，與它糾纏的光子會擊中一個空間光調製器，這個空間光調製器能使通過它的光的速度稍微減慢。一旦這個光子通過了調製器，它就與和它成對的糾纏光子有了不同的相位。這個相當於傳統全息術中的參考光束。

在糾纏光子對穿過了各自的目標後，它們不會相互重疊。光子的波的性質使它們不僅能在被擊中的位置探測到物體的厚度，同時能測量整個物體的厚度。如此一來，樣品的厚度、三維結構等信息，就會被“印”在光子上。而由於光子是糾纏的，因此印在一個光子上的印記可以同時被兩個光子共享。然後，干涉現象就可以在遠距離發生，整個過程不需要涉及光束的疊加。這時，通過使用獨立的照相機來測量兩個糾纏光子的位置相關性，就能最終得到一個全息圖。

用糾纏光子生成全息圖的過程。| 圖片來源：格拉斯哥大學

在實驗中，研究人員重建出了一些真實物體（如透明膠帶、顯微鏡載玻片上的硅油滴、羽毛）的全息圖像，以及一個在液晶顯示器上創造出的“UofG”字樣的全息圖像。

新的量子全息方法的最令人驚歎的地方在於，即使是相距甚遠的、從未發生過相互作用的光子，也可以因為量子糾纏的存在而產生干涉現象。它具有十分實際的應用優勢，比如它能提供更好的穩定性，因為量子糾纏是一種固有特性，這種特性對外部環境的干擾不那麼敏感。

這樣的突破性發現或許能改善醫學成像、加速量子信息科學的發展。利用新的全息術， 科學家或許可以製造出比現有顯微鏡技術質量更好的生物圖像，從而有望被用來解開以前從未被觀察到的細胞內的生物結構和機制。