有时，两个相互作用的粒子——比如两个通过分束器的光子，无论被分隔到多么遥远，它们都可以保持联系，并瞬间共享它们的物理状态。这种神秘的联系被称为量子纠缠，它支撑了整个量子力学领域。爱因斯坦曾将这一现象称为“鬼魅般的超距作用”。
爱因斯坦之所以称之为“鬼魅”，是因为两个相距甚远的纠缠粒子之间的相互作用所表现出的瞬时性，似乎与他的狭义相对论并不兼容。后来，约翰·贝尔（John Bell）正式提出了这种非局域相互作用的概念，描述了一种能展现这种鬼魅效应的强纠缠形式——被称为贝尔纠缠。一直以来，虽然贝尔纠缠在量子计算和密码学等许多实际应用中都得到了应用，但我们从来没有捕获它的图像。
一篇于7月12日发表在《科学进展》上的论文中，格拉斯哥大学的一组物理学家描述了他们如何让这种“鬼魅现象”首次出现在图像中，这是第一次捕捉到量子纠缠的视觉证据。
○ 实验涉及到在4种不同的相变下捕捉光子的图像，图中所呈现的实际上是光子经过了一系列的4个相变时所产生的多重图像的结合。| 图片来源：Moreau et al., Science Advances, 2019
他们设计了一个系统（实验系统的设置如下图所示），一个波长为355纳米的准连续激光通过了一个BBO晶体（偏硼酸钡晶体），从而通过自发参量下转换（SPDC）过程产生了在空间上纠缠的光子对。这两个波长为710纳米的光子在一个分束器（BS）上分离，并沿着光学系统中的两条不同的光路传播。
○ 实验人员设置了一个超灵敏的照相机，能够检测到单个光子，只有当同时捕捉到一个光子和与它纠缠的另一个粒子时，照相机才会拍下照片，从而记录下了一个可见的光子纠缠记录。| 图片来源：Moreau et al., Science Advances, 2019
第一个光子被放置于晶体的成像面上的空间光调制器（SLM）反射，并在被一个单模光纤收集之前，显示出一个相位物体，然后在被光纤收集之后，再被一个单光子雪崩二极管（SPAD）探测到。另一个光子沿着另一条光路传播，它被一个放置在晶体的傅里叶平面（相当于物体的傅里叶平面）的SLM反射。然后，这个光子会通过一个长约20米的延迟线（Delay line）传播，最终被一个增强型电荷耦合检测器（ICCD）相机检测到。
ICCD相机会根据放置在第一条光路上的SPAD探测到光子的情况而被有条件地触发的。而延迟线则确保了从ICCD相机所捕获的图像与SPAD检测到的图像是同步的。第二条光路中延迟线的存在弥补了相机的触发延迟，并确保了第二个光子入射到相机上的时间的精确度，从而记录下了一个可见的光子纠缠记录。
物理学家Paul-Antoine Moreau是这篇论文的第一作者，他说：“我们成功捕捉到的这张照片，优雅地展示了自然的一个基本属性，这是这个属性第一次以图像的形式出现……这是一个令人兴奋的结果，它将可以用于革新量子计算的新兴领域，带来新型的成像方法。”
参考链接：
[1]https://phys.org/news/2019-07-scientists-unveil-first-ever-image-quantum.html
[2]https://advances.sciencemag.org/content/5/7/eaaw2563
