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量子全息术的诞生 制作单个光粒子的全息图

  直到最近,由于物理学的基本定律,创建单个光子的全息图被认为是不可能的。然而,华沙大学物理系的科学家们成功地将经典全息术的概念应用于量子现象世界。一种新的测量技术使他们能够记录单个光粒子的第一个全息图,从而为量子力学的基础揭示新的亮点。

  华沙大学物理系的科学家创造了第一个单一光粒子的全息图。在自然光子学杂志上报道的壮观实验由Radoslaw Chrapkiewicz博士和Michal Jachura博士在Wojciech Wasilewski博士和Konrad Banaszek教授的监督下进行。他们成功登记单光子全息图预示着全息术的新时代:量子全息术,它有望为量子现象提供全新的视角。

  “我们进行了一项相对简单的实验来测量和观察难以观察的东西:单个光子的波前形状,”Chrapkiewicz博士说。

  在标准摄影中,图像的各个点仅记录光强度。在经典全息术中,干涉现象还记录光波的相位(它是携带关于图像深度的信息的相位)。当创建全息图时,描述良好的未受干扰的光波(参考波)与相同波长的另一波叠加,但是从三维物体反射(两个波的波峰和波谷在不同程度上移动)图像的不同点)。这会导致干扰,并且两个波之间的相位差异会产生复杂的线条图案。然后用参考光束照射这样的全息图,以重建从物体反射的光的波前的空间结构,并且因此其3D形状。

  人们可能会认为,当产生两个波的光子数量减少到最小值时,就会观察到类似的机制,即单个参考光子和由物体反射的单个光子。但你错了!单个光子的相位继续波动,这使得对其他光子的经典干涉变得不可能。由于华沙物理学家面临着一项看似不可能的任务,他们试图以不同的方式解决这个问题:他们试图记录光子波函数相互作用的量子干涉,而不是使用电磁波的经典干涉。

  波函数是量子力学中的一个基本概念,也是其最重要方程的核心:薛定谔方程。在熟练的物理学家手中,可以将这个功能与雕刻师手中的腻子进行比较:当熟练地塑造时,它可以用来“塑造”量子粒子系统的模型。物理学家总是试图了解给定系统中粒子的波函数,因为其模数的平方表示在特定状态下发现粒子的概率的分布,这是非常有用的。

  “所有这些听起来可能相当复杂,但实际上我们的实验很简单:我们不会考虑改变光强度,而是考虑量子干涉后记录光子对的概率变化,”博士生Jachura解释道。

  为什么成对的光子?一年前,Chrapkiewicz和Jachura使用华沙大学建造的创新相机来拍摄成对的光子分离器中可区分和不可区分的光子的行为。当光子可以区分时,它们在分束器处的行为是随机的:可以传输或反射一个或两个光子。不可区分的光子表现出量子干涉,这改变了它们的行为:它们成对地连接并且总是被传输或反射在一起。这被称为双光子干涉或Hong-Ou-Mandel效应。

  “在这个实验之后,我们受到启发,询问是否可以使用双光子量子干涉类似于全息术中的经典干涉,以便使用已知状态光子获得有关未知状态光子的更多信息。我们的分析使我们感到惊讶结论:事实证明,当两个光子表现出量子干涉时,这种干涉的过程取决于它们的波前形状,“Chrapkiewicz博士说。

  通过记录光子对可以观察到量子干涉。实验需要重复几次,总是有两个具有相同属性的光子。为了满足这些条件,每个实验都开始于一对具有平坦波前和垂直极化的光子; 这意味着每个光子的电场仅在单个平面内振动,并且这些平面对于两个光子是垂直的。不同的偏振使得有可能将晶体中的光子分离,并通过使用柱面透镜弯曲其波前使其中一个“未知”。一旦光子被镜子反射,它们就被导向分束器(方解石晶体)。分光器没有改变垂直偏振光子的方向,但它确实发散了水平偏振光子。为了使每个方向同样可能并确保晶体充当分束器,光子偏振的平面在光子进入分光器之前弯曲45度。使用为先前实验设计的最先进的相机记录光子。通过多次重复测量,研究人员获得了与从空间中的单个点观察的未知光子的全息图相对应的干涉图像。该图像用于完全重建未知光子的波函数的幅度和相位。使用为先前实验设计的最先进的相机记录光子。通过多次重复测量,研究人员获得了与从空间中的单个点观察的未知光子的全息图相对应的干涉图像。该图像用于完全重建未知光子的波函数的幅度和相位。使用为先前实验设计的最先进的相机记录光子。通过多次重复测量,研究人员获得了与从空间中的单个点观察的未知光子的全息图相对应的干涉图像。该图像用于完全重建未知光子的波函数的幅度和相位。

  华沙物理学家进行的实验是朝着提高我们对量子力学基本原理的理解迈出的重要一步。到目前为止,还没有一种简单的实验方法可以获得有关光子波函数相位的信息。尽管量子力学有很多应用,并且在上个世纪已经多次验证,但我们仍然无法解释实际上波函数是什么:它们只是一个方便的数学工具,还是它们是真实的?

  “我们的实验是第一个允许我们直接观察光子波函数的基本参数之一 - 它的相位 - 使我们更接近理解波函数的真正意义,”Jachura解释说。

  华沙物理学家使用量子全息术来重建单个光子的波函数。研究人员希望将来他们能够使用类似的方法来重建更复杂的量子对象(如某些原子)的波函数。量子全息术是否会在实验室之外找到类似于传统全息术的应用程序,经典全息术常用于安全性(全息图难以伪造),娱乐,运输(用于测量货物尺寸的扫描仪),显微成像和光学数据存储以及加工技术?

  “今天很难回答这个问题。我们所有人 - 我的意思是物理学家 - 必须首先了解这个新工具。量子全息术的真实应用可能不会出现几十年,但如果有的话有一件事我们可以确定它们会令人惊讶,“Banaszek教授总结道。

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