渥太华大学的研究人员与罗马第一大学的DaniloZia和FabioSciarrino合作，最近展示了一种新技术，可以真实地可视化两个纠缠光子(构成光的基本粒子)的波函数。时间。

用一双鞋来比喻，纠缠的概念可以比喻为随机选择一只鞋。当你识别出一只鞋的那一刻，另一只鞋(无论是左鞋还是右鞋)的性质就会立即被识别出来，无论它在宇宙中的位置如何。然而，有趣的因素是在观察的确切时刻之前与识别过程相关的固有不确定性。

波函数是量子力学的核心原理，它提供了对粒子量子态的全面理解。例如，在鞋子的例子中，鞋子的“波函数”可以携带诸如左或右、尺寸、颜色等信息。

更准确地说，波函数使量子科学家能够预测量子实体的各种测量的可能结果，例如位置、速度等。

这种预测能力是无价的，特别是在快速发展的量子技术领域，了解量子计算机中生成或输入的量子态将允许测试计算机本身。此外，量子计算中使用的量子态极其复杂，涉及许多可能表现出强非局域相关性(纠缠)的实体。

了解这种量子系统的波函​​数是一项具有挑战性的任务——这也称为量子态断层扫描或简称量子断层扫描。使用标准方法(基于所谓的投影运算)，完整的断层扫描需要大量的测量，这些测量随着系统的复杂性(维数)而迅速增加。

研究小组之前用这种方法进行的实验表明，表征或测量两个纠缠光子的高维量子态可能需要数小时甚至数天的时间。此外，结果的质量对噪声高度敏感，并且取决于实验设置的复杂性。

量子断层扫描的投影测量方法可以被认为是观察从独立方向投射到不同墙壁上的高维物体的阴影。研究人员所能看到的只是阴影，从阴影中，他们可以推断出整个物体的形状(状态)。例如，在CT扫描(计算机断层扫描)中，可以从一组2D图像重建3D对象的信息。

然而，在经典光学中，还有另一种重建3D物体的方法。这称为数字全息术，基于记录单个图像(称为干涉图)，通过将物体散射的光与参考光进行干涉而获得。

该团队由加拿大结构量子波研究主席、渥太华量子技术(NexQT)研究所联席主任、理学院副教授易卜拉欣·卡里米(EbrahimKarimi)领导的团队将这一概念扩展到两个光子的情况。

重建双光子态需要将其与可能众所周知的量子态叠加，然后分析两个光子同时到达的位置的空间分布。对两个光子同时到达的图像称为重合图像。这些光子可能来自参考源或未知源。量子力学指出光子的来源无法识别。

这产生了可用于重建未知波函数的干涉图案。这项实验是通过先进的相机实现的，该相机可以在每个像素上以纳秒分辨率记录事件。

渥太华大学博士后研究员、该论文的合著者之一AlessioD'Errico博士强调了这种创新方法的巨大优势，“这种方法比以前的技术要快得多，只需要几分钟或几秒钟而不是几天。重要的是，检测时间不受系统复杂性的影响——这是投影断层扫描中长期存在的可扩展性挑战的解决方案。”

这项研究的影响不仅仅限于学术界。它有可能加速量子技术的进步，例如改进量子态表征、量子通信和开发新的量子成像技术。

该研究“空间双光子态振幅和相位的干涉成像”发表在《自然光子学》上。

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