曾經(jīng)，全息圖只是一種科學(xué)上的罕見(jiàn)而有趣之物。但是，由于激光的飛速發(fā)展，它們已逐漸出現(xiàn)在我們現(xiàn)實(shí)生活中，出現(xiàn)在護(hù)照和鈔票的安全圖像上，科幻電影中（最令人難忘的是《星球大戰(zhàn)》）。

全息術(shù)是記錄被物體散射并以三維方式呈現(xiàn)的光的照相過(guò)程。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)由匈牙利-英國(guó)物理學(xué)家丹尼斯·加伯（Dennis Gabor）于20世紀(jì)50年代初發(fā)明，后來(lái)獲得了1971年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

除鈔票、護(hù)照外，全息照相術(shù)已成為其他實(shí)際應(yīng)用（包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，生物顯微鏡，醫(yī)學(xué)成像和醫(yī)學(xué)診斷）的重要工具。

在一種稱(chēng)為全息顯微術(shù)的技術(shù)中，科學(xué)家制作全息圖來(lái)解讀組織和活細(xì)胞中的生物機(jī)制。例如，這項(xiàng)技術(shù)通常被用于分析紅細(xì)胞，以檢測(cè)是否存在瘧原蟲(chóng)，并為體外受精過(guò)程鑒定精子細(xì)胞。

但是現(xiàn)在我們發(fā)現(xiàn)了一種新型的量子全息術(shù)，可以克服傳統(tǒng)全息術(shù)方法的局限性。

這一突破性發(fā)現(xiàn)可能會(huì)改善醫(yī)學(xué)成像，并加速量子信息科學(xué)的發(fā)展。這是一個(gè)涵蓋了所有基于量子物理學(xué)的技術(shù)的科學(xué)領(lǐng)域，包括量子計(jì)算和量子通信。

全息圖如何工作

經(jīng)典的全息術(shù)通過(guò)將一束激光分成兩條路徑來(lái)創(chuàng)建三維物體的二維渲染。第一個(gè)光束的路徑，即被稱(chēng)為物體光束，通過(guò)照相機(jī)或特殊的全息膠片收集的反射光照亮全息對(duì)象。第二光束的路徑（稱(chēng)為參考光束）從鏡子直接反射到采集表面，而不會(huì)接觸到被攝對(duì)象。

全息圖是通過(guò)測(cè)量?jī)墒馐嘟惶幍墓庀辔徊顏?lái)創(chuàng)建的。相位是被攝物和被攝物光束的波相互混合和干擾的量。干擾現(xiàn)象有點(diǎn)像游泳池表面的波浪，在空間中會(huì)形成復(fù)雜的波浪模式，其中包含波浪互相抵消（波谷）和波及彼此相交（波峰）的兩個(gè)區(qū)域。

干涉通常要求光是“相干的”——在任何地方都有相同的頻率。例如，激光發(fā)出的光是相干的，這就是為什么在大多數(shù)全息系統(tǒng)中使用這種光的原因。

全息糾纏

因此，光學(xué)相干性對(duì)于任何全息過(guò)程都是至關(guān)重要的。但是，我們的新研究通過(guò)利用光子之間稱(chēng)為光子的“量子糾纏”來(lái)解決全息照相中相干性的需求。

常規(guī)全息術(shù)基本上依賴(lài)于光學(xué)相干性，因?yàn)椋紫?，光必須干涉才能產(chǎn)生全息圖，其次，光必須相干干涉。但是，第二部分并不完全正確，因?yàn)槟承╊?lèi)型的光既可能是非相干的又會(huì)產(chǎn)生干涉。

由糾纏光子構(gòu)成的光就是這種情況，它是由量子源以成對(duì)分組的粒子流（糾纏光子）的形式發(fā)射的。

這些對(duì)具有稱(chēng)為量子糾纏的獨(dú)特性質(zhì)。當(dāng)兩個(gè)粒子糾纏在一起時(shí)，它們本質(zhì)上是相連的，即使它們?cè)诳臻g上可能分開(kāi)，它們也有效地充當(dāng)單個(gè)對(duì)象。結(jié)果，對(duì)一個(gè)糾纏粒子執(zhí)行的任何測(cè)量都會(huì)影響整個(gè)糾纏系統(tǒng)。

在我們的研究中，每對(duì)中的兩個(gè)光子被分離并沿兩個(gè)不同的方向發(fā)送。

一個(gè)光子被發(fā)送到一個(gè)對(duì)象，該對(duì)象可能是例如載有生物樣品的顯微鏡載玻片。當(dāng)它撞擊物體時(shí)，光子將略微偏離或減慢一點(diǎn)，具體取決于它穿過(guò)的樣品材料的厚度。但是，作為量子物體，光子具有令人驚訝的特性，不僅表現(xiàn)為粒子，而且表現(xiàn)為波。

這種波粒二象性使它不僅能在物體撞擊的精確位置探測(cè)物體的厚度（就像一個(gè)較大的粒子所做的那樣），而且能一次測(cè)量整個(gè)物體的厚度。樣品的厚度——因此它的三維結(jié)構(gòu)——被“印在”光子上。

由于光子糾纏在一起，因此，印在一個(gè)光子上的投影同時(shí)被兩個(gè)光子共享。干擾現(xiàn)象隨后發(fā)生在遠(yuǎn)端，而無(wú)需重疊光束，并且通過(guò)使用單獨(dú)的相機(jī)檢測(cè)兩個(gè)光子并測(cè)量它們之間的相關(guān)性，最終獲得了全息圖。

這種量子全息方法最令人印象深刻的方面是，即使光子從不相互作用，并且可以通過(guò)任何距離（稱(chēng)為"非本地性"）分離，并且由于光子之間存在量子糾纏而啟用，也會(huì)發(fā)生干擾現(xiàn)象。

所以我們測(cè)量的物體和最終的測(cè)量可以在地球的兩端進(jìn)行。

除此之外，在全息系統(tǒng)中使用糾纏代替光學(xué)相干性具有更好的穩(wěn)定性和抗噪性等實(shí)際優(yōu)勢(shì)。這是因?yàn)榱孔蛹m纏是一種本質(zhì)上難以獲得和控制的性質(zhì)，因此具有對(duì)外部偏差不太敏感的優(yōu)點(diǎn)。

這些優(yōu)點(diǎn)意味著我們可以產(chǎn)生質(zhì)量比目前的顯微鏡技術(shù)更好的生物學(xué)圖像。很快，這種量子全息方法可以用來(lái)揭示以前從未觀(guān)察到的細(xì)胞內(nèi)部的生物學(xué)結(jié)構(gòu)和機(jī)制。

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