近日，由加拿大渥太华大学与罗马萨皮恩扎大学的研究人员合作展示了一种新的技术，可以实时显示两个纠缠光子的波函数，即构成光的基本粒子。捕获到两个光子的量子纠缠呈现出阴阳互抱的图像，非常类似中国道家的太极图形。

你可能听说过光既是粒子又是波，但你有没有听说过其中存在着神秘的“舞蹈”？一篇最近发表在《自然光子学》杂志上的论文中，加拿大科学家们报告说，揭示了一项创新技术，可以实时的可视化纠缠光子的波函数，即光的基本组成部分——量子纠缠之舞的快照。

想象一下，从一双鞋中随机选择一只鞋，如果是一只左鞋，你立刻就知道尚未看见的另一只鞋是要右脚穿的。这种瞬时的信息，无论另一只鞋是在旁边还是在天边，这都是确定的。虽然这个类比不太恰当，但它表达了量子纠缠的本质。对于其核心的概念，量子纠缠是指两个或更多粒子以一种深度相互联络的方式变得相关，无论它们之间的空间分离距离如何。这意味着一个粒子的状态立即影响另一个粒子的状态，即便它们相隔数光年。

量子纠缠听起来可能像是科幻小说中的东西，但这是一个在实验中观察到的非常真实的现象，它挑战了我们对世界运作方式的传统认知，深度探索了奇妙的量子物理领域。在这个领域中，粒子可以同时处于多种状态，并超越我们日常直觉的方式相互影响，这种瞬时连接似乎违反了爱因斯坦的相对论理论所施加的信息传递基本速度限制。

量子纠缠的概念，在1935年由爱因斯坦、波多尔斯基和罗森在一篇被称为EPR悖论的论文中受到了挑战。他们提出纠缠是对物理现实的不完全描述，声称量子力学必然缺少能够独立决定粒子属性的隐藏变量。然而随后的实验，尤其是贝尔测试证明了经典隐藏变量无法解决EPR悖论。这些实验的结果与量子预测一致，突显了纠缠的非局域测性量子层析成像。确定量子系统的波函数并不是一项简单的任务，这个过程被称为量子层析成像，是一种用于研究和了解量子系统的技术。在量子世界中，粒子的状态和性质可以同时存在于多种可能性中，这使得难以直接观测和测量，而量子层析成像就是一种方法，可以帮助了解这些复杂的量子状态。

想象一下，你在黑暗中摸索一件物体，你不能直接看到它，你只能通过触摸、感觉和其他间接的方式来了解物体的形状、大小和特征。在量子层析成像中，科学家们使用类似的方法，通过测量不同属性的信息来逐步重建和理解一个量子系统的状态。但是，由于量子系统的性质具有模糊性和多样性，需要进行许多不同的测量以捕捉到不同方面的信息。通过收集大量的测量数据，科学家们可以利用复杂的计算方法，像拼图一样逐渐揭示出量子系统的真实状态。

总之，量子层析成像是一种帮助揭示和理解量子系统复杂性的方法。通过测量多个属性，逐步还原出直接隐藏在量子世界中的信息，这有助于更好的理解量子物理，并在量子技术和研究中取得进展。

量子层析成像通常涉及到引入维度，即量子系统可以拥有和测量的不同属性或特征的数量。在量子力学中，每个维度代表一个可以测量的不同属性，比如位置、动量、自旋等。当处理纠缠粒子或更复杂的量子系统时，维度的数量显著增加，这可能导致纠缠系统存在于高维空间中，其中维度对应于纠缠粒子的各种属性。以前的实验涉及量子层析成像，用于测量两个纠缠光子的高维量子状态可能需要数小时甚至数天。这个过程不仅非常耗时，而且结果的质量令人怀疑，特别是对于越来越复杂的系统。

试想，试图从在不同墙壁上投射的阴影中重建一个高维物体，这就是量子科学家在处理量子层析成像时面临的挑战。但是，如果不仅仅有阴影的图像，还是全息的图像，怎么样？在经典光学中，数字全息术使用单个干涉图像创建三维图像，该研究将这个概念扩展到纠缠光子的领域。

为了揭示量子的秘密，研究人员将纠缠光子与已知的量子状态叠加在一起，他们看到光子同时到达，创造出一个惊人的所谓巧合图像，就像捕捉到了两名完美同步的舞者在时间中被冻结。

这一关键发现得益于一台具有纳秒精度的尖端相机，这台相机捕捉到光子的同步到达，揭示出一个复杂的干涉图案。这种图案类似于迷人的编舞，是重构难以捉摸的波函数的关键。

这个图很像中国的太极阴阳图，科学家戏称之为量子阴阳图。图示为双光子态全新影像重建。a 图，自发参数下转换状态与泵浦光束获得的状态之间的干涉重合图像，形状为阴阳符号，插图比例与主图中相同。b 图，重建印在泵上的图像的振幅和相位结构。

研究人员强调，这种创新方法的巨大优势与之前的技术相比，这种方法的速度指数级增长，只需几分钟或几秒钟，而不是数天，重要的是，检测时间不受系统复杂性的影响，这是量子层析成像中长期存在的可扩展性挑战的解决方案。量子纠缠可能听起来像一个抽象的概念，但它具有深远的实际影响。

研究人员已经利用纠缠来实现量子密码学，这是一种基于量子力学原理的安全通讯方法。这项技术使得传输的加密密钥具有固有的安全性，因为任何窃听企图都会破坏纠缠，并且是可检测的。纠缠还在量子计算中扮演着重要角色。

这是一个承诺能够解决超越经典计算机能力的复杂问题的领域。量子位可以处于纠缠状态，由于它们能够同时存在于多种状态，所以可以进行指数级更快的计算。因此，这项研究发现增加了对量子波函数的新的认知层面，这可能会使量子计算机和其他应用更加稳定，该研究方法还可能有助于未来新的量子成像技术的发展。