前沿进展 | 利用新型鬼成像系统，给量子纠缠“拍个照”

量子非定域性的概念，在物理上和数学上都是反直觉的，让人难以捉摸，但它是量子信息科学与技术的核心。证明量子非定域性存在与否往往是一个系统经典和量子的分水岭。目前人们熟知的方案往往需要复杂的测试系统，比如荣获2022年诺贝尔物理学奖的贝尔不等式实验测量技术，而近些年兴起的量子成像技术为我们提供了一种理解量子世界的可视化方案。对于高维或者复杂系统的量子体系，验证量子非定域性往往需要不同的方案，近些年Hardy理论为高维和多体量子体系提供了一种简洁有效的量子非定域性证明手段。传统基于符合测量、弱测量的Hardy理论验证技术往往需要采集大量数据并进行后处理，如何利用量子成像技术来可视化Hardy理论有望为高维量子体系的实际应用提供行之有效的检测技术方案。

为了解决上述问题，厦门大学光场调控与量子信息研究团队搭建了光子偏振-轨道角动量超纠缠的鬼成像实验系统（如图1所示），利用双块级联正交放置的0.6 mm薄的BBO晶体来构造超纠缠源，通过在光子偏振纠缠通道来构建来Hardy理论，同时在光子轨道角动量纠缠通道构筑鬼像，为了提高光子通过效率，实验团队利用光刻技术刻蚀出大小为2 mm的鬼像，从而实现了Hardy理论的可视化。

图1 基于双块BBO晶体构建双光子偏振-轨道角动量超纠缠鬼成像装置，利用sagnac干涉仪构建偏振依赖的延迟光路，通过半波片和偏振片的不同角度构建ICCD的四个成像通道

由于Hardy理论需要不同的测量基来实现，如何在鬼成像系统中构建测量基是核心。传统的量子成像往往利用光子的空间模式如光子轨道角动量来构建，但是单一自由度无法实现鬼像和测量同步。而基于超纠缠源，厦门大学团队构建了四个测量基下的最终光子态：

这样，光子的偏振态测量决定了最后鬼像的形成结果。根据Hardy非局域性理论的逻辑推导，如果前三组偏振的测量基对应的测量概率等于0，那么在经典隐变量理论框架下，第四组偏振测量基所对应的测量概率也将严格为0。而对于双光子纠缠态，存在一定的概率使得第四组测量基违背经典光学理论，即第四组测量概率可以不为0。换句话说，如果我们在实验中让前三组测量基所对应的成像通道无法观察到鬼像，那么在第四个通道中是否能观察到一个清晰鬼像，就可以作为证实或证伪量子力学非局域性的一个可视化的直接证据。实验结果如图2所示，通道（1）、（2）、（3）中几乎看不到清晰的鬼像，但是在第（4）通道中可以看到清晰的鬼像，通过计算每个图像的信噪比（contrast-to-noise ratio，CNR），得出CNR = 0.08, 0.07, 0.05, 0.57，该结果给出了量子非定域性的直观观测。

图2 四个测量通道的量子成像结果，（1）、（2）、（3）通道中几乎看不到鬼像，因为每个图像是通过积分获得，考虑到半波片和偏振片角度、透射率的影响，会产生少量的背景光子。（4）通道中可以观测到清晰的鬼像，colorbar给出了图像中的光子数

量子成像具有一些经典成像技术无法实现的优势，越来越多的研究表明量子成像技术是探究量子世界的有益工具，而该研究首次提出基于超纠缠量子成像技术实现量子非定域性的验证，搭建的偏振-轨道角动量超纠缠鬼成像实验系统为高维量子纠缠的可视化研究提供了可行的技术方案，该实验系统有望应用于开发新颖的超纠缠量子成像技术，进一步推动基于超纠缠量子成像研究领域的进展。

厦门大学张武虹副教授为本文第一作者，张武虹、陈理想教授为共同通讯作者，邱晓东博士、张冬凯博士也参与了相关实验工作。该研究得到基金委重点项目、厦门大学南强青年拔尖人才项目的支持。

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