使用缠绕的光子的全息术“量子飞跃”可以彻底改变成像

启用纠缠的量子全息成像

信贷:格拉斯哥大学

一种使用缠绕的光子来克服传统全息方法的局限性的新型量子全息度可能导致改善医学成像并加速量子信息科学的进步。

一个来自的物理学家团队格拉斯哥大学是世界上第一个找到利用量子纠缠光子在全息图中编码信息的方法的人。《科学》杂志于2021年2月4日发表的一篇论文概述了这一突破背后的过程自然物理

全息术是许多人所熟悉的,因为它被用于印制信用卡和护照上的安全图像,但它还有许多其他的实际应用,包括数据存储、医学成像和防御。

经典全息术通过分为两条路径的激光束形成三维物体的二维渲染。一种被称为物体光束的一个光束的路径照亮着全仪的对象,用相机或特殊全息膜收集的反射光。作为参考光束的第二梁的路径从镜子直接弹出到收集表面上而不触摸受试者。

全息图是通过测量两束光线相遇处的光相差来制作的。相位是指主体光束和客体光束相互混合和干涉的程度,这一过程是由一种被称为“相干性”的光的特性实现的。

格拉斯哥研究组的新量子全息技术也使用了一束激光分成两条路径,但与经典全息术不同的是,光束永远不会重新聚合。相反,这个过程利用了量子纠缠的独特特性——爱因斯坦曾把这个过程称为“远距离幽灵行为”——来收集构造全息图所需的相干信息,即使光束是这样

通过特殊的非线性晶体通过特殊的非线性晶体闪耀蓝色激光器,它们的过程在实验室中开始,该晶体将光束分成两个,在该过程中产生缠结的光子。缠绕的光子本质上是连接的 - 当一个代理在一个光子上作用时,它的伴侣也受到影响,无论它们有多远。团队过程中的光子在他们的旅行方向上纠缠在一起,但也陷入了极化。

然后,两束纠缠的光子沿着不同的路径发送。一个光子流——相当于经典全息术中的物体光束——通过测量光子通过目标物体时的减速来探测目标物体的厚度和偏振响应。光的波形在穿过物体时发生不同程度的偏移,从而改变了光的相位。

与此同时,它的纠缠伙伴会击中一个空间光调制器,相当于参考光束。空间光调制器是一种光学装置,它可以稍微减慢通过它的光的速度。一旦光子通过调制器,它们与已经探测到目标物体的纠缠子有不同的相位。

在标准全息术中,然后将两条路径彼此叠加,并且它们之间的相干扰程度将用于在相机上生成全息图。在团队量子版的全息术中最引人注目的方面,光子在通过其各自的目标后从不在彼此重叠。

相反,因为光子被缠结为单个“非局部”颗粒,所以每个光子经历的相移单独地同时共享。

干涉现象发生在远距离,通过使用独立的百万像素数码相机测量纠缠光子位置之间的相关性,获得全息图。由空间光调制器在两个光子中的一个上实现的四个不同的全局相移测量全息图最终得到了一个高质量的物体相位图像。

启用纠缠的量子全息术

信贷:格拉斯哥大学

在团队的实验中,从人工物体重建相位模式,如在液晶显示器上编程的字母“UOFG”,而是来自诸如透明胶带的真实物体,定位在显微镜载玻片上的硅油液滴和鸟羽毛。

Glasgow大学物理学和天文学学院的Hugo Depienne博士是纸张的主要作者。DECIENNE博士说:“古典全息术用光线的方向,颜色和极化进行了非常聪明的东西,但它具有限制,例如来自不需要的光源的干扰以及对机械稳定性的强烈敏感性。

“我们开发的过程将我们从那些经典相干性的限制中解放出来,并将全息术引入量子领域。使用纠缠光子提供了创造更清晰、细节更丰富的全息图的新方法,这为这项技术的实际应用开辟了新的可能性。

“其中一项应用可能是医学成像,全息术已经被用于显微镜,用来仔细检查通常近乎透明的精细样品的细节。我们的过程可以生成更高分辨率、更低噪音的图像,这可能有助于揭示更精细的细胞细节,帮助我们更多地了解生物在细胞水平上是如何运作的。”yabo124

格拉斯哥大学丹尼尔·科尔科教授领导着该集团,使其成为突破,是本文的共同作者。

教授Faccio说:“一部分真正令人兴奋的一部分是我们发现一种方法可以将百万像素数码相机集成到检测系统中。

“近年来,光学量子物理学的许多重大发现都是利用简单的单像素传感器实现的。它们的优点是体积小、速度快、价格便宜,但缺点是它们只能捕捉到非常有限的有关过程中涉及的纠缠光子状态的数据。这将花费大量的时间来捕捉我们能在一张图像中收集到的细节。

“我们正在使用的CCD传感器为我们提供了一个前所未有的分辨率,以便每次缠绕的光子的每个图像播放到最多10,000像素。这意味着我们可以通过显着的梁中测量它们的缠结质量和光子中的光子的数量准确性

“将来的量子计算机和量子通信网络将至少需要关于他们将使用的缠绕粒子的细节水平。它让我们更接近在那些快速开发的字段中实现实际步骤更改。这是一个非常激动人心的突破,我们热衷于这种成功,进一步的改进。“

参考:《偏振纠缠量子全息术》作者:雨果·迪菲尼,Bienvenu Ndagano, Ashley Lyons和Daniele Faccio, 2021年2月4日,自然物理
DOI: 10.1038 / s41567 - 020 - 01156 - 1

该团队的论文题为“偏振纠缠量子全息术”,发表在《科学》杂志上自然物理。他们的工作得到了工程和物理科学研究委员会(EPSRC)的资金,以及欧盟地平线2020和Marie-Curie Sklodowska行动举措。

是第一个评论关于“全息”量子飞跃“使用缠结的光子可以彻底改变成像”

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